京大など、超伝導ゆらぎによる巨大熱磁気効果を発見

京都大学は12月2日、ある種のウラン化合物超伝導体では、熱磁気効果がこれまでの超伝導体よりも桁違いに大きくなることを発見したと発表した。

同成果は、同大 理学研究科の山下卓也博士後期課程学生、住吉浩明博士後期課程学生、松田祐司教授、東京大学 新領域創成科学研究科の芝内孝禎教授(京都大学 理学研究科 客員教授)、大阪大学 基礎工学研究科の藤本聡教授らによるもの。日本原子力研究開発機構 原子力科学研究開発部門 先端基礎研究センターの芳賀芳範研究主幹と共同で行われた。詳細は、英国科学誌「Nature Physics」のオンライン版に掲載された。

ある種の物質を冷やしていくと、低温で2つの電子がペア(クーパー対)を組み、抵抗がゼロとなる超伝導状態が実現する。しかし、超伝導転移温度以下でのみこのペアが形成されるわけではなく、転移温度より少し高い温度でも、熱ゆらぎの効果により形成される。この熱ゆらぎによるペアは、泡のように生成・消滅を繰り返し、その結果、超伝導状態の前兆ともいえる超伝導ゆらぎを発現する。この超伝導ゆらぎは、さまざまな物理量に影響を与える。特に、磁場中の熱電変換効果の一種である熱磁気効果(ネルンスト効果)は、超伝導ゆらぎの性質を調べる上で重要な物理量として知られている。ところが、通常の超伝導体では、この熱磁気効果の大きさ自体はあまり大きなものではなく、熱電変換材料としてはあまり注目されていなかった。

そこで、今回の研究では、ウラン化合物超伝導体URu₂Si₂の超純良試料を用い、超伝導ゆらぎに起因した熱磁気効果を精密に測定した。その結果、試料の純良性が増すほど、超伝導ゆらぎの効果は熱磁気効果に顕著にあらわれた。これは、超伝導体においてこれまで観測された実験結果と定性的に異なっている。さらに、熱磁気効果の大きさは、従来の超伝導体を良く説明するゆらぎの理論から予想される値の100万倍に達することもわかった。また、URu₂Si₂の超伝導では、クーパー対を形成する2つの電子が、互いの周りを右回り、または左回りのどちらか一方向に回転している新奇な超伝導状態が実現していると考えられている。このような超伝導体はカイラル超伝導体と呼ばれており、そのクーパー対は従来の超伝導体にはない新奇な幾何学的構造を持つ。そして、このようなカイラル超伝導体では、超伝導の泡の表面を流れるペア電子によって、伝導電子が散乱される。この散乱過程に基づいた新しい理論によって、今回の実験結果は定量的に説明されることが明らかになったとしている。

熱磁気効果を引き起こす新しい機構の概念図。左右に温度差をつけて左から右に熱流を流し、紙面に垂直に磁場をかけたときに上下に電圧が発生する。超伝導の泡(超伝導ゆらぎ)の表面を流れるペア電子によって伝導電子が散乱される