分子研、世界で初めて有機物に電圧を加えて超伝導を実現

分子科学研究所協奏分子システム研究センター教授の山本浩史氏、助教の須田理行氏、理化学研究所主任研究員の加藤礼三氏、および同研究所創発物性科学研究センターチームリーダーの岩佐義宏氏、客員研究員(現所属・東北大学)の中野匡規氏らの研究グループは、最先端のシリコンテクノロジーに用いられている「歪み制御」技術を用いて、有機物に電圧を加えることで動作する超伝導スイッチを世界で初めて開発した。

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有機物も温度を下げると超伝導状態へと変化することは以前から知られていたが、超伝導をより高度に利用するためには、電圧でのスイッチ(トランジスタ動作)が重要となる。しかしながら有機物を使って超伝導体と常伝導体の間を電圧でスイッチする方法は、これまで知られていなかった。

今回研究グループは、κ-Br (正式名称はκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br) という有機物質を用いて電界効果トランジスタを作り、その歪みをゲート基板によって制御することによって超伝導スイッチを実現した。現在シリコンデバイスで広く用いられている歪み技術では、ゲルマニウムとシリコンの結合長ミスマッチによる歪み生成が用いられているが、今回の実験では有機物(κ-Br)と無機ゲート基板(ニオブをドープしたチタン酸ストロンチウム:Nb-SrTiO3)との熱膨張係数ミスマッチによって歪み制御を実現している。

この技術により、κ-Brの歪みをちょうど超伝導と絶縁体との間で相転移が起きるぎりぎりのところに制御することができる。このような状況でゲート電圧(VG)をかけて電場を加えると、電圧が9Vで超伝導状態へと変化して、電気抵抗が突然下がるという現象が観測された。

この技術は将来、低コスト・省エネルギーで製造可能なフレキシブルデバイスの開発につながる可能性がある。

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