高強度テラヘルツ電流が引き起こす特異な超伝導スイッチング動作の発見―新規超伝導デバイス開発や性能向上に向けた新たな知見―

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 関口文哉 化学研究所特定助教(現:東京大学特任助教)、金光義彦 同教授(現:同特任教授)、廣理英基 同准教授、小野輝男 同教授、成田秀樹 同特定助教らの研究グループは、直流電流の流れている超伝導体にテラヘルツ波(周波数0.1-3 THz帯に位置する電磁波)を照射することにより、臨界電流を制御できることを実証しました。超伝導体の最も重要な特徴の一つは、ゼロ抵抗で流れる超伝導電流です。しかし、臨界電流を超えると材料は超伝導状態を保持できず有限の抵抗が現れます。このような超伝導状態の破壊メカニズムの理解は、リニアモーターカーでも使用される超伝導ケーブルや粒子加速器、超伝導共振器といった様々なデバイス特性の改善に役立ちます。また、可視光、赤外線、またはテラヘルツ光子に対する極めて高い感度の光子検出器技術をもたらし応用上において大変重要な現象です。本研究では、超伝導体薄膜にテラヘルツ波を照射すると、臨界電流が大きく変化する現象を発見しました。この現象を利用すると、テラヘルツ波のような低いエネルギーのフォトンの偏光状態を検出できることを示しました。さらに、一度破壊された超伝導状態が臨界電流より大きい電流下で復活するという、特異な振る舞いを観測しました。この非単調な超伝導破壊は、超伝導体内の磁気渦糸(超伝導電流が渦のように流れている状態)がテラヘルツ電流によって駆動される運動によって引き起こされることを示しました。本研究グループが観測した特異な超伝導スイッチング現象は、超伝導材料応用に新たな知見を与えるものと期待されます。

 本研究成果は、2024年5月24日に、国際学術誌「Nature Communications」に掲載されました。

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人工超伝導超格子における、直流電流とテラヘルツ高速電流の相互作用。上:実験の模式図。左下:直流電流量に依存した非単調な超伝導-常伝導スイッチング。右下:テラヘルツ電流により駆動される磁気渦糸運動のシミュレーション。
研究者のコメント

「超伝導材料は、リニアモーターカーや超伝導マグネットのケーブル、さらには、高い感度を持つ光子検出器など広く社会実装されています。今回、我々は超伝導薄膜サンプルを対象に、高強度テラヘルツ分光技術を駆使することで、超伝導状態の破壊のメカニズムを明らかにしました。今後、我々が発見した超伝導/常伝導状態のスイッチング動作が新たなデバイス技術へと応用され、また、京大化研で発見され、にわかに注目を集めている超伝導ダイオード特性の機構解明にも貢献できればと考えています。」

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