京大、通常電子比1000倍の質量を持つ「重い電子」を2次元空間で超伝導化

京都大学(京大)の研究グループは、通常の電子の1000倍の有効質量を持つ「重い電子」を、人工的に2次元空間に閉じ込め超伝導にすることに成功したことを発表した。同成果は同大 理学研究科物理学・宇宙物理学専攻大学院生の水上雄太氏、松田祐司 同教授、芝内孝禎 同准教授、寺嶋孝仁 低温物質科学研究センター教授らの研究グループによるもので、英国科学雑誌「Nature Physics」オンライン版に公開された。

超伝導は消費電力を発生することなく電気を流すことができるため、省エネルギーにつながる技術として期待されているが、常温超電導物質は見つかっておらず、実際にアルミニウムなどの通常の金属でおこる超伝導は、極低温度でのみ起こることが知られている。しかし、電子同士の反発力が強くなった「強相関電子系」とよばれる物質群では、従来の理論の枠組みを超えた比較的高い温度で超伝導が起きうることが明らかになってきており、新しいタイプの超伝導発現機構の探索を行うことが求められるようになってきた。

電子同士の反発力が非常に強い物質では、ふつうの真空中の電子よりも重い質量を持つようにふるまう「重い電子」が現れるほか、このような電子を狭い空間に閉じ込めると、さらに反発力が働き電子は動きづらくなり、有効質量が通常の電子に比べ1000倍に重くなった強相関電子状態となるが、このような電子を2次元空間に閉じ込めた状態で超伝導を起こすことができるのか、またこのような超伝導が実現した時にどのような性質を持つのかということは未知の問題とされていた。

今回研究グループでは、分子線エピタキシー技術を用いて希土類元素の1つであるセリウム(Ce)を含む重い電子系化合物の人工超格子を作製し、2次元空間に超伝導状態を実現した。この系では、有効質量が真空中の電子の1000倍近い(水素原子の原子核(陽子)に匹敵する重さ)電子が2次元空間を動き回り、電気抵抗を生ずることなく電気を流すことが確認された。

超伝導では電子がペアを組んで結合した状態となっており、この電子対の結合が壊れると超伝導状態は壊れてしまう。この結合の強さを表す指標は超伝導のメカニズムにより決定され、通常の超伝導体ではあまり物質によらずほぼ3.5であることが知られてきたが、今回の超伝導ではこの結合の指標が10を超えることが確認され、これは結合エネルギーが超伝導転移温度から従来理論で予想される値に比べ3倍にも達する特異な超伝導が実現していることを意味している。そのため研究グループでは、、今後さらに次元性を下げることで、こうした超伝導メカニズムの解明が進むものとの見方を示している。