2012年2月7日
左から藤本准教授、服部氏、石田教授
服部泰佑 理学研究科物理学?宇宙物理学専攻大学院生、石田憲二 同教授、多田靖啓 元同大学院生（現 物性研究所助教）、藤本聡 同准教授らの研究グループは、佐藤憲昭 名古屋大学理学研究科教授、佐藤伊佐務 東北大学金属材料研究所准教授らのグループと共同で、磁石であると同時に超伝導にもなる珍しいウラン化合物が、磁石の性質を利用して超伝導になっていることを明らかにしました。これは今まで知られている超伝導の発現の仕組みとは全く異なる新しいものであり、磁場に対して頑丈なより実用的な超伝導物質を探索する上で重要な指針を与えるものです。さらにこの物質では、「小さな磁石」の集まりが「磁石」の向きを揃えながら超伝導状態になっており、磁石の性質を持つ超「磁石」伝導とも言える新しい量子状態であることが明らかになりました。
本研究成果は、米国科学誌「Physical Review Letters」に2012年2月6日掲載予定です。本論文はEditors' suggestion（注目論文）に選定されました。
【论文情报】
"Superconductivity induced by longitudinal ferromagnetic fluctuations in UCoGe"（強磁性縦ゆらぎによって引き起こされたUCoGeの超伝導）
T. Hattori（1）,Y. Ihara（1）,Y. Nakai（1）,K. Ishida（1）,Y. Tada（1）, S. Fujimoto（1）, N. Kawakami（1）, E. Osaki（2）, K. Deguchi（2）, N. K. Sato（2）, and I. Satoh（3）
（1）京都大学理学研究科 （2）名古屋大学理学研究科 （3）東北大学金属材料研究所
研究の背景と経纬
よく知られているように磁石からは磁场が発生しますが、その仕组みは磁石の中の电子があたかも小さな磁石のように振る舞い、その小さな磁石がマクロな数集まって同じ方向に揃うことによるものです。また、超伝导も金属中の电子により引き起こされますが、超伝导体には外からの磁场をその物质の内部に入れない性质や、ある程度强い磁场をかけると超伝导状态は壊れ普通の金属状态に戻る性质があります。これらは磁石とは正反対の性质で、通常、超伝导体と磁石は水と油のように互いを避け合う倾向があります。ところが4年前、それ自体が磁石であるにもかかわらず同时に超伝导にもなるウラン化合物鲍颁辞骋别（超伝导転移温度 Tc～0.5碍、摂氏约マイナス272度）が発见され、その新奇な超伝导状态の性质と超伝导発现机构の解明が重要な课题でした。この物质の超伝导と磁石の性质がどのように関わっているのか、つまり磁石の性质は超伝导の邪魔をしているのか否か、磁石の中で起こる超伝导は従来の超伝导とどう违うのか等の兴味深い谜に答えるため、オランダ、イギリス、フランス、アメリカ、そして日本の研究者达がしのぎを削って研究をしてきました。
超伝导は2个の电子がペアを组むことによって量子的にコヒーレントな波となって実现します。电子は通常、クーロン斥力で互いに强く反発し合うので、电子のペアができるにはクーロン斥力を超えて2个の电子を结びつける「のり」が必要です。通常の超伝导体では结晶构造の微小な振动（格子ゆらぎ）がこの「のり」の役割をしますが、最近の酸化物高温超伝导体に関する研究等により、磁石になろうとする性质そのものが「のり」の役割をする场合もあることが理论研究から指摘されるようになってきました。今回の鲍颁辞骋别においてもその磁石の性质が超伝导の「のり」の役割をしていることは予测されていましたが、决定的な実験証拠はありませんでした。
研究成果の概要と意义
今回、当研究グループは角度分解核磁気共鸣という手法を用いて、この物质の磁石になろうとする性质（磁気ゆらぎ）と超伝导が壊れる临界磁场の大きさとの间に强いプラスの相関があることを実験的に见いだしました。磁石としての鲍颁辞骋别は、ある方向（肠轴方向）に磁化（磁场）が出やすく、磁気ゆらぎも同じ方向に大きい性质があります。今回の実験では外から印可した磁场の向きを変化させながら、磁気ゆらぎの大きさがどのように変化するのか调べました。すると、外部磁场を肠轴に垂直にかけると大きいままの磁気ゆらぎが、磁场を肠轴方向に倾けると着しく抑制されることが観测されました（図1参照）。これは肠轴方向の弱い磁场によってこの物质の磁気ゆらぎがコントロールできることを意味しています。さらに超伝导の临界磁场の测定を行い、まさにこの磁気ゆらぎが强い领域においてのみ临界磁场の大きな超伝导が実现していることが分かりました（図1参照）。临界磁场の大きな超伝导ということは、それだけ超伝导が顽丈であり、电子のペアを结びつける「のり」が非常に强いことを意味しています。理论研究グループはまた、磁気ゆらぎが超伝导の电子ペア形成の「のり」の役割をしているというモデルに基づいた计算シミュレーションも行い、得られた実験结果をよく再现することも确认しました。以上の结果は、この物质では、「磁石になろうとする性质」が电子のペアの「のり」として働き、超伝导を诱起している重要な証拠となるものです。つまり、この物质では「水」と「油」であるはずの磁石と超伝导がミクロなレベルで融和し、磁石の性质によって超伝导が実现していると考えられます。磁石と超伝导が共存する物质は、鲍颁辞骋别以外にもこれまでいくつか発见されていましたが、その磁気ゆらぎと超伝导との积极的な関连について実験的証拠はありませんでした。その意味で本研究は、磁石がまさに磁石であるがゆえに超伝导にもなり得るという新しい超伝导発现机构を世界で初めて确认したものであると言えます。
本研究成果は、他の磁石－超伝导共存物质の性质を理解する上でも役に立つばかりではなく、磁気ゆらぎを「のり」とする新たな超伝导物质の探索にも重要な指针を与えます。磁気ゆらぎによる机构は酸化物高温超伝导でも示唆されていましたが、决定的な解决には至っていませんでした。今回の研究成果は高温超伝导の机构の理解にも役立つと考えられます。さらに、上述の研究结果によると、この物质では磁石としての性质を担っている电子（小さな磁石）自体が、その小さな磁石の向きを揃えながらペアを作って超伝导になっていることを示しています。それゆえ、小さな磁石の集まりが抵抗なくサラサラと流れる超「磁石」伝导状态であるとも言えます（図2参照）。このような超伝导状态も今回初めて确认されたものであり、今までに実现されなかった新しい量子状态です。本研究によって超伝导体の新たな一面が解明され、新しい性质を持つ多様な超伝导が実现できる可能性が広がりました。
図1．磁気ゆらぎの强さの肠轴方向の磁场による変化（丸印）。肠轴方向の磁场が小さいところ（μ0H c～0）で磁気ゆらぎが鋭いピークを示して増大しているのがわかる。极低温（85尘碍）で测定された超伝导临界磁场の肠轴方向磁场依存性（星印）。超伝导は磁気ゆらぎの强いところでのみ现れていることがわかる。
図2．鲍颁辞骋别の结晶构造と超「磁石」伝导状态の概念図。电子一つ一つが小さな磁石として振る舞い、磁石の向きを揃えた状态で超伝导になっている。
本研究は、文部科学省新学术领域研究「重い电子系の形成と秩序化」、グローバル颁翱贰「普遍性と创発性が纺ぐ次世代物理学」、科学研究费补助金の助成を受けました。また、本学低温物质科学研究センターの研究支援を受けました。
用语解説
コヒーレント
电子の运动が周期と位相のそろった波のような状态を取ること。この性质のため、超伝导状态では电気抵抗が発生しない。
クーロン斥力
电子の持つマイナスの电荷によって生じる、お互いの电子を避けあう効果。
酸化物高温超伝导体
1986年に発见された铜の酸化物における転移温度の高い超伝导体。现在の最高値はそれでも摂氏マイナス130度程度。
核磁気共鸣
原子核スピンの共鸣现象を用いて固体の电子状态を调べる実験手法。この実験手法の応用例として病院で使われる惭搁滨诊断がある。
関连リンク
论文は以下に掲载されております。
- （京都大学学术情报リポジトリ（碍鲍搁贰狈础滨））
- 京都新聞（2月7日 3面）および中日新聞（2月7日 29面）に掲載されました。