超伝導の新しいメカニズム「量子液晶揺らぎによる電子対形成」の検証に成功

2023年03月09日

東京大学
岡山大学
弘前大学

◆発表のポイント

• 量子液晶状態における電子の揺らぎが超伝導に与える影響を調べるうえで、近年注目されている鉄系超伝導体Fe(Se,Te)の上部臨界磁場を測定することに成功しました。


• 量子液晶揺らぎによって、超伝導電子対の形成を促す相互作用が強くなることを実証しました。


• 今まで知られていた磁気的な揺らぎによる超伝導状態との比較により、非従来型超伝導の発現機構に対する理解が次のステージへ進むことが期待されます。

　東京大学大学院新領域創成科学研究科の向笠清隆大学院生(研究当時)、石田浩祐大学院生（研究当時）、芝内孝禎教授、同大学物性研究所の今城周作特任助教、金道浩一教授、岡山大学異分野基礎科学研究所の笠原成教授、弘前大学大学院理工学研究科の渡辺孝夫教授（研究当時）らの研究グループは、量子液晶状態の量子力学的な揺らぎ（量子液晶揺らぎ）によって超伝導電子対の結合の強さが増強されることを実験的に明らかにしました。
　超伝導状態の物質に磁場をかけていくと、ある大きさで超伝導が消失します。研究グループはこの性質に着目し、鉄系超伝導体のひとつFe(Se,Te)の超伝導が消失する磁場の大きさ（上部臨界磁場）を測定し、超伝導が磁場を大きくしていくとどのように変化していくのかを調べました。その結果、磁場が大きくなるにしたがって超伝導状態が徐々に縮小し、そこでは強い量子液晶揺らぎが発達していることがわかりました。量子液晶揺らぎによって、超伝導電子対の形成を促す相互作用が強くなることを実証しました。
　今回の成果は、「量子液晶揺らぎによる電子対形成」という新しいメカニズムによる超伝導が実現可能であることを示すものであり、これまでよく知られている磁気的な揺らぎによる超伝導と比較することによって、超伝導の発現機構に対する理解が大きく進展することが期待されます。
本研究成果は2023年3月6日付けで、米国科学誌『Physical Review X』にオンライン掲載されました。

「量子液晶揺らぎによる電子対形成」のイメージ図


図1：量子液晶状態を有するFe（Se,Te）における磁場下での超伝導転移温度
図中の丸印は磁場0 T（テスラ）、14 T、30 T、40 T、46 T下での超伝導への転移温度を表す（左軸）。灰色の破線は量子液晶状態への転移温度を指し（右軸）、それが0 ケルビンになる星印付近では、量子液晶揺らぎが増大する。その近辺で超伝導が磁場に対して特に強固であることがわかる。

＜発表者＞
東京大学
　大学院大学院新領域創成科学研究科
　　芝内 孝禎（教授）
　　向笠 清隆（博士課程：研究当時）
　　石田 浩祐（博士課程：研究当時）

　物性研究所
　　金道 浩一（教授）
　　今城 周作（特任助教）

岡山大学異分野基礎科学研究所
　　笠原 成（教授）

弘前大学大学院理工学研究科
　　渡辺 孝夫（教授：研究当時）

■論文情報
論文名： Enhanced superconducting pairing strength near a pure nematic quantum critical Point
掲載誌： Physical Review X（2023年3月6日付）
著者：Kiyotaka Mukasa, Kousuke Ishida*, Shusaku Imajo, Mingwei Qiu, Mikihiko Saito, Kohei Matsuura, Yuichi Sugimura, Supeng Liu, Yu Uezono, Takumi Otsuka, Matija Čulo, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Nigel E. Hussey, Takao Watanabe, Koichi Kindo, and Takasada Shibauchi* （*連絡著者）
DOI：10.1103/PhysRevX.13.011032

〈URL〉
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011032


■研究助成
本研究は科学研究費新学術領域研究（研究領域提案型）「量子液晶の物性科学」（領域代表：芝内孝禎教授）[JP19H05824]等の助成を受けて行われました。

＜詳しい研究内容について＞
超伝導の新しいメカニズム「量子液晶揺らぎによる電子対形成」の検証に成功


＜お問い合わせ＞
〈研究に関する問合せ〉
東京大学大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻
教授 芝内 孝禎（しばうち たかさだ）
Tel/Fax：04-7136-3774
HP：http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp

〈報道に関する問い合わせ〉
東京大学大学院新領域創成科学研究科 広報室
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岡山大学 総務・企画部 広報課
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弘前大学大学院理工学研究科　総務グループ総務担当
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