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超伝導物質が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見

2012年6月22日


左から芝内准教授、橋本氏、松田教授

 橋本顕一郎 理学研究科博士後期課程学生(現東北大学 助教)、芝内孝禎 同准教授、松田祐司 同教授らの研究グループは、低温物質科学研究センター、米エイムス研究所、米アイオワ州立大学、米イリノイ大学、英ブリストル大学、および青山学院大学の研究グループと共同で、超伝導状態が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見しました。鉄イオンを含む高温超伝導物質の元素組成比を化学的に変化させたところ、ある組成比に近づくにつれて、超伝導電子の重さが著しく増強されることを実験的に明らかにしました。この結果は超伝導状態の中に、臨界点(特異点)が存在することを直接的に示すもので、これまでの長年の未解決問題に答えを与えるものです。この臨界点の存在は、二つの異なる超伝導状態が絶対零度で存在することを意味しています。さらに、超伝導転移温度は、この臨界点直上で最も高く、本研究成果は高温超伝導発現機構の理解へつながると期待されます。

 本研究成果は、米国科学雑誌「Science」2012年6月22日号に掲載されました。

背景と経緯

 物質の温度を変化させると、一つの状態(相)から別の状態(相)に変化します。例えば磁石を暖めると、ある温度において急に磁力が消失してしまいます。このような現象は相転移と呼ばれ、物理学の中心的課題の一つです。相転移の近傍では、均一な状態からのずれ(ゆらぎ)が大きくなりますが、通常これは熱によって引き起こされたゆらぎと考えることができます。しかしながら、相転移はこの熱ゆらぎの存在しない絶対零度(摂氏マイナス273度)でも、圧力、化学組成など、温度以外のパラメーターを変化させることによって起こすことが出来ます。このとき、その起源は、熱ゆらぎではなく、ハイゼンベルグの不確定性原理に由来する量子ゆらぎであり、通常の相転移と区別して量子相転移と呼ばれます。また、量子相転移を起こす、パラメーター空間内の特異点を量子臨界点と呼びます。

 2008年に日本で発見された鉄イオンを含む新型高温超伝導体は、相転移の一種である反強磁性の相転移温度が絶対零度付近に制御された物質群で、高い転移温度を持ったドーム型の超伝導が出現することがわかっています(図1)。しかしながら、ドーム型の超伝導相ができることで、絶対零度の相転移点(量子臨界点)が消失してしまうのか(図1左)、超伝導内部で相転移点が存続しているのか(図1右)が大きな論争になっていました。


図1: 鉄系高温超伝導体の温度-組成相図の概念図。左図では反強磁性相転移が超伝導の出現とともに途切れているのに対し、右図では絶対零度まで延びて量子臨界点(赤丸)を形成している。今回の実験結果で、右図の方が正しいことが明らかとなった。(Science論文Fig.1から抜粋)

内容と意義

 超伝導物質では、転移温度Tc以下の温度に冷却すると、電気抵抗がゼロになり電力消費なしに電流を流すことができ、それと同時に磁場を完全に遮蔽することができる性質(マイスナー効果)を示します。この磁場を遮蔽する能力は、「磁場侵入長」λとよばれる物理量で決定づけられます(図2)。磁場侵入長の長さ(通常数十~数百ナノメートル程度)は超伝導電子の密度と重さ(有効質量)と密接な関係があり、超伝導状態を記述する上で最も基本的かつ重要な量となっています。


図2: 磁場侵入長の概念図。超伝導体(太線)に弱い磁場を印加すると表面から磁場が急速に減衰し十分内部では完全に磁場密度が消失した状態(マイスナー状態)となる(左図)。この磁場の侵入の度合いを表す長さが磁場侵入長λとよばれる物理量である(右図)。

 今回、研究グループは極低温においてこの磁場侵入長を高精度に測定する手法を開発し、鉄系超伝導体BaFe2(As1-xPx)2の純良単結晶試料を用いて、絶対零度における磁場侵入長について、P組成比xに対する変化を定量評価することに成功しました。その結果Tcが最大となるx=0.30で磁場侵入長が急峻に長くなることを見出しました(図3)。このことは超伝導電子がこの近辺でのみ急激に重くなることを意味しています。このような結果は他の超伝導体では見つかったことがない驚くべき結果であり、今回非常に純良な試料を多数の組成比で調べたこと、さらに通常正確な測定の困難な物理量を3種類の異なる実験手法を用いることで系統的に調べたことにより、初めて明らかになったものです。


図3: 鉄系高温超伝導体BaFe2(As1-xPx)2における絶対零度での磁場侵入長λの組成比依存性。縦軸はλ2をプロットしており、超伝導電子の重さに比例する。異なるシンボルは測定手法が異なることを示しており、3種類の異なる測定の結果から再現性を確認している。波線はガイドライン。(Science論文Fig.2Cから抜粋)

 このような絶対零度における磁場侵入長の急激な増大は量子効果によるゆらぎの増大が超伝導電子に影響を及ぼしていることを初めて直接示したものであり、図1右図のように量子臨界点が超伝導相内に存在していることを意味するものです。この結果により、今まで論争になっていた二つの超伝導状態が存在することも同時に示されたことになります。さらに、量子臨界点でTcが最大になっていることから、量子効果によるゆらぎの増大と超伝導転移温度を高める要因が強く関連していることが示唆されます。本研究成果により、超伝導電子に及ぼす量子ゆらぎの効果の重要性が初めて明らかとなり、今後の研究により高温超伝導発現メカニズムの解明につながることが期待されます。

 

本研究は、文部科学省新学術領域研究「重い電子系の形成と秩序化」、グローバルCOE「普遍性と創発性が紡ぐ次世代物理学」、および科学研究費補助金の助成を受けました。また、低温物質科学研究センターの研究支援を受けました。

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1126/science.1219821

"A Sharp Peak of the Zero-Temperature Penetration Depth at Optimal Composition in BaFe2(As1-xPx)2"
(BaFe2(As1-xPx)2の最適組成で観測された絶対零度における磁場侵入長の急峻なピーク構造)

橋本顕一郎1,*, K. Cho2,3, 芝内孝禎1, 笠原成1,4, 水上雄太1, 勝股亮1, 鶴原悠悟1, 寺嶋孝仁4, 池田浩章1, M. A. Tanatar2, 北野晴久5, N. Salovich6, R. W. Giannetta6, P. Walmsley7, A. Carrington7, R. Prozorov2,3, 松田祐司1
所属:1京都大学理学研究科、2エイムス研究所、3アイオワ州立大学、4京都大学低温物質科学研究センター、5青山学院大学、6イリノイ大学、7ブリストル大学、*現東北大学金属材料研究所

Science 22 June 2012: 336(6088), 1554-1557
doi: 10.1126/science.1219821

 

  • 読売新聞(7月16日 16面)に掲載されました。