東大,空間反転対称性の破れに基づく超伝導ダイオードを実現

東京大学の研究グループは,原子膜材料である二硫化モリブデン(MoS2)の電気二重層トランジスタ(EDLT)構造を用いて空間反転対称性の破れた2次元超伝導体では,特定の方向に磁場を加えた状況で整流特性(ダイオード特性)を示すことを世界で初めて発見した(ニュースリリース)。

また,超伝導揺らぎ電流の理論計算によって,常伝導相と比べて整流特性が飛躍的に大きくなることを説明し,さらに,一般に空間反転対称性の破れた超伝導体においてそのような整流特性の増大が起き得ることを示した。

超伝導は省エネルギーにつながる次世代の技術として期待され,世界中で研究されている。特に超伝導体の集積化は,超伝導量子ビットなど次世代のコンピューティングシステムで非常に重要な役割を担うと期待されており,こうした超伝導体の集積化において超伝導ナノエレクトロニクスの新機能の開拓が広く求められている。

その中でも,整流性を持つ超伝導体,すなわち超伝導ダイオードを実現することは超伝導ナノエレクトロニクスの発展の上で極めて重要になっている。こうした中,空間反転対称性が破れた常伝導体結晶では,整流性を持つことが最近の研究で明らかにある一方,空間反転対称性の破れた超伝導体の整流性の研究は今まで行なわれていなかった。

研究グループは,原子膜材料の一種である層状物質,二硫化モリブデン(MoS2)の高品質な単結晶を用いて,電界効果トランジスタの一種であるEDLT構造を製作した。この構造では,超強電界によって誘起された電子の集団がMoS2の単結晶表面に蓄積できるため,原子層1層分の厚さの,極めて薄い,究極の2次元超伝導を人工的に実現することができる。

さらにMoS2では単層構造で面内の反転対称性が破れているため,EDLTによってほぼ単層でかつ空間反転対称性が破れた超伝導を実現していることになる。研究では,作製したEDLTデバイスの面直方向に磁場をかけた状態での電気伝導特性を測定した。厳密な超伝導状態では電気抵抗は完全にゼロで整流特性は観測されないが,この超伝導体にある一定の磁場下で部分的に超伝導が壊れ電気抵抗が有限となる状態で測定を行なった。

電気抵抗の倍周波成分を測定することで整流特性を調べた結果,常伝導状態では極めて小さいが,超伝導状態では極めて大きい整流特性が観測された。さらに,この整流特性は温度を下げていくと増大することを発見した。また,超伝導転移温度近傍において,現象論的に超伝導転移を取り扱うギンツブルグ・ランダウ理論に基づく理論解析によりこの機構を解明した。

整流特性の飛躍的増大はフェルミエネルギーと超伝導ギャップという二つのエネルギースケールの比から説明され,一般の空間反転対称性の破れた超伝導体でも同様の効果が起きると期待されるという。

研究では,反転対称性が破れた原子層1層分の厚さの2次元超伝導体で新しい原理の整流特性を発見し,さらに,空間反転対称性が破れた超伝導体に普遍的な現象であることを示した。このような整流特性や電流の非線形応答は,空間反転対称性が破れた超伝導体に普遍的な現象であると考えられる。今後,さまざまな空間反転対称性の破れた超伝導体において,整流特性も含めた非線形電気伝導現象の包括的な研究・新機能性開拓が飛躍的に進展することが期待されるとしている。

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