研究者が超伝導体の速度限界を突破し、クーパー対の解対現象を探究

ドイツのマックス・プランク物質構造と動力学研究所、中国の上海微システムと情報技術研究所、スイスのチューリッヒ工科大学、イギリスのオックスフォード大学の研究チームは、超伝導体の「速度限界」を突破し、電子の絡み合い対（すなわちクーパー対）の解対現象に関して重要な突破を達成した。超伝導体は、特定の温度以下で無抵抗で電気を導き、磁場を発生させる材料である。これらの独特な性質は、粒子衝突型加速器や磁気共鳴画像（MRI）などの医療機器の技術を実現することを可能にし、100年前にはまるでSF小説のように思われた。

私たちはさまざまな材料で超伝導状態を実現することに成功しているが、科学者たちはこれらのシステムの脆弱性を理解している。温度の上昇や電流、磁場の変化は、材料が超伝導状態を失うのに十分である。

超伝導性剥奪現象の挑戦

超伝導性剥奪現象は、磁場や電流が測定可能である一方で、もう一つの限界は測定が難しい。なぜなら、それは十億分の一秒内に擾乱を引き起こす可能性があるからである。これが解対限界であり、この限界を超えると電子の絡み合い対（すなわちクーパー対）が引き裂かれ、超伝導性が即座に失われる。解対限界を越えることによって引き起こされる擾乱の速度が非常に速いため、科学者たちはこの限界を越えたかどうかを調査するために、より迅速に調査を行う必要がある。研究チームは、この限界を超える際に速度限界を突破する新しい方法を見出した。第二種超伝導体は多くの応用で広く使用されており、実際には物理的妥協である。

第一種超伝導体が脆弱な磁場限界を持つのに対し、第二種超伝導体は内部の磁場（すなわち量子渦）のおかげでより高い限界を持ち、極端な条件下でも電流が流れ、超伝導性を維持することができる。

異なる材料の超伝導性行動

強い電流はこれらの量子渦を引き裂き、材料内に抵抗を生じさせることで超伝導性を終わらせる。したがって、研究チームはこの情報を利用して解対限界をさらに理解することを決定した。速度限界を突破するために、チームは二種類の異なる超伝導材料、窒化タンタル（NbN）とイットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）ファミリーのメンバーを使用した。これらはどちらも高温超伝導性を示す。NbNはs波エネルギーギャップ対称性を持ち、YBCOはd波エネルギーギャップ対称性を持ち、これが超伝導性を引き裂く難易度を決定する。

十億分の一秒内に発生する量子過程を超えるために、チームは量子渦の移動速度を数十キロメートル毎秒の数桁上回る光電回路を構築した。研究者たちは、NbNが加えられた電流が臨界値に達する前に超伝導性を維持し、その後突然超伝導性を失うことを発見した。一方、YBCO材料は徐々に超伝導性を失った。この差異は、二つの材料のエネルギーギャップ対称性に起因しており、NbNのエネルギーギャップは全方向で同じであるのに対し、YBCO材料のエネルギーギャップは著しく変化するため、一度に消失することができない。

この二つの材料の行動の違いは、研究者に超伝導性に関する根本的な理解をもたらし、最終的にはクーパー対とその安定性に帰結する。超伝導材料の遷移の速度限界を超えることで、研究者は将来的に新しい方法でこれらの性質を研究し、取得できるようになる。研究結果は『Nature Physics』誌に発表された。

超伝導体研究の新たな方向性

研究チームの超伝導体分野における突破は、電子の絡み合い対の脆弱性を明らかにするだけでなく、将来の超伝導材料研究に新しい視点を提供する。超伝導性剥奪現象の迅速な擾乱は、材料の安定性を鍵とし、粒子衝突型加速器や医療機器の発展にとって重要である。異なる材料の詳細な研究を通じて、科学者たちは超伝導性質をより良く理解し、関連技術の革新と応用を推進することができる。