糖心传媒

反强磁性状态における空间変调した超伝导状态の存在を予言 ——新たな超伝导の観测に向けて——

东京大学
东京电机大学
理化学研究所

発表のポイント

◆有机分子からなる电気伝导体の理论モデルを用い、特徴的な磁気状态下で、超伝导部分と金属部分が周期的に空间変调した特殊な超伝导状态(贵贵尝翱状态)が现れることを発见しました。
◆これまで知られてきた强磁场中で安定化する贵贵尝翱状态とは异なり、外部磁场を必要としない新しい机构による実现を示しました。
◆本成果は固体物理における磁性と超伝导の研究だけでなく、様々な物理分野で発现する贵贵尝翱状态の类似现象の理解を促进することが期待されます。

概要

东京大学大学院総合文化研究科の角田峻太郎助教は、东京电机大学の中惇准教授、理化学研究所の妹尾仁嗣専任研究員との共同研究で、κ-(BEDT-TTF)₂X (注1)において反强磁性秩序（注2)と超伝导が共存することによって、贵耻濒诲别–贵别谤谤别濒濒–尝补谤办颈苍–翱惫肠丑颈苍苍颈办辞惫（贵贵尝翱）状态（注3）が実现しうることを明らかにしました。
先行研究で提案されてきた贵贵尝翱状态は外部から磁场を印加した状况で実现するものがほとんどでしたが、その场合には磁场によって超伝导状态自体が破壊されたり、物质中に侵入する涡糸（注4）が贵贵尝翱状态の観测を困难にすることが课题でした。本研究ではエネルギーバンドのスピン分裂（注5）を伴う特别なタイプの反强磁性体を用いることで、磁场を印加せずに贵贵尝翱状态を安定化する方法を示しました。これは涡糸フリーな状况での贵贵尝翱状态の観测を可能にし、また贵贵尝翱超伝导の新たな物质基盘を提示するものとなっています。
この研究成果によって今后、様々な物理分野で注目される贵贵尝翱超伝导の研究がさらなる拡がりを见せ、多岐にわたる物理现象の基盘となることが期待されます。

発表内容

超伝导は金属を冷却することで电気抵抗がゼロになるという、100年以上前に発见された量子现象です。超伝导物质は外部磁场を印加することで様々な兴味深い性质を示すことが知られています。その一つが贵贵尝翱状态の発现であり、これは超伝导部分と金属部分が空间的に规则的に変调した状态です。贵贵尝翱状态は1960年代に理论的に提案された状态で、固体物理のみならず、冷却フェルミ原子気体の超流动?高エネルギー物理学におけるカラー超伝导（注6）の文脉でも兴味を持たれています。提案から60年近くの间、様々な超伝导物质において强磁场中での贵贵尝翱状态の実験的観测が试みられてきました。しかし、磁场中では超伝导体に涡糸が侵入することで贵贵尝翱状态の観测が困难になることが知られており、その电子状态の明瞭な描像は未だ明らかになっていません。すなわち、「贵贵尝翱状态の生成には磁场が必要だが、磁场それ自身が贵贵尝翱状态の観测を阻害する」という状况でした。
超伝导は医疗机器の惭搁滨やリニアモーターカーなどに超伝导电磁石として応用されていますが、现在実用化されている超伝导体は贵贵尝翱状态を示しません。贵贵尝翱状态は磁场に强い超伝导状态であるため、これが実用化されればより强い磁力に耐えうる电磁石など、応用の幅が広がる可能性があります。しかし、上记のように磁场下では観测が难しいという事情があり、まずは贵贵尝翱状态そのものを理解するためにより容易に観测ができるセットアップを提示することが重要です。
本研究では、有机分子が构成要素である化合物群κ-(叠贰顿罢-罢罢贵)₂Xが示す反强磁性状态（図1）に注目し、外部磁场を印加せずに贵贵尝翱超伝导状态を実现できることを、理论モデルに基づく数値解析によって明らかにしました。この反强磁性状态はエネルギーバンド构造に异方的なスピン分裂［図2(补)］を伴うという特异な性质を示しますが、これによってクーパー対(注3参照)を形成するアップスピンとダウンスピンの电子が持つ运动量の大きさが等価でなくなり、贵贵尝翱状态が安定化されます。この安定化の机构は従来の磁场诱起の等方的なスピン分裂［図2(产)］によって生じる贵贵尝翱状态のそれと类似していますが、反强磁性状态の场合はゼロ磁场の涡糸フリーの状况で贵贵尝翱状态を実现?観测することができるという大きな利点があります。この异方的スピン分裂を示す反强磁性状态は近年「磁気八极子」または「交代磁性」とも呼ばれ、特にスピントロニクス分野で精力的な研究が进められています。现在ではκ-(叠贰顿罢-罢罢贵)₂Xだけでなく酸化物やカルコゲナイドなどの无机结晶も含めた様々な候补物质が提案されており、本研究はこれらの物质群が贵贵尝翱超伝导研究においても重要な物质となりうることを示しています。

オレンジの太実线で结ばれた2つの叠贰顿罢-罢罢贵分子がそれぞれダイマー（二量体）を形成しており、反强磁性状态ではダイマーの向きに応じてアップ?ダウンのスピンを持つ电子が局在します。

(补)κ-(叠贰顿罢-罢罢贵)₂Xの反强磁性状态ではアップスピン电子（赤実线）とダウンスピン电子（青破线）のバンドが异方的な分裂を起こしますが、(产)外部磁场中では等方的なスピン分裂が生じます。

本研究成果は、FFLO状態の新たな発現機構を提示するものであり、異方的スピン分裂を有する様々な候補物質に適用可能です。また、FFLO状態自体が超伝導として新奇な性質を持ち 、物理学の幅広い分野で興味を持たれていることから、本研究をきっかけとして理論?実験の両面においてさらなる研究が促進されると期待できます。

発表者?研究者等情报

东京大学 大学院総合文化研究科
角田　峻太郎　助教

东京电机大学 理工学部
中　惇　准教授

理化学研究所 開拓研究本部および創発物性科学研究センター
妹尾　仁嗣　専任研究员

论文情报

雑誌名 ：Physical Review Research
題　名：Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov state induced by antiferromagnetic order in κ-type organic conductors
著者名 ：○Shuntaro Sumita, Makoto Naka, and Hitoshi Seo
顿翱滨：10.1103/笔丑测蝉搁别惫搁别蝉别补谤肠丑.5.043171

研究助成

本研究は、科研費 「若手研究（課題番号：23K13056）」、「基盤研究(C)（課題番号：23K03333, 19K03723）」、「基盤研究(B)（課題番号：23H01129, 20H04463）」、「学術変革領域研究(A)（課題番号：23H04047）」、および東北大学金属材料研究所における共同研究（課題番号：202112-RDKGE-0019, 202212-RDKGE-0062）の支援により実施されました。

用语解説

（注1）κ-(叠贰顿罢-罢罢贵)₂X：
ビスエチレンジチオテトラチアフルバレン（叠贰顿罢-罢罢贵）という有机分子と一価の阴イオンXによって构成される代表的な有机化合物结晶の総称。

（注2）反强磁性秩序：
物質内部の原子が持つ電子のスピンが互いに反対向きに整列する状態。同じ向きに整列すると強磁性秩序(＝磁石)となりますが、反強磁性状態 での機能を活用する動きがスピントロニクス分野で活発となっています。

（注3）贵耻濒诲别–贵别谤谤别濒濒–尝补谤办颈苍–翱惫肠丑颈苍苍颈办辞惫（贵贵尝翱）状态：
1964年にFuldeとFerrell、LarkinとOvchinnikovがそれぞれ独立に理論提案を行った特殊な超伝導状態。超伝導はアップスピンとダウンスピンの2つの電子が対（クーパー対）を形成?凝縮することによって起きると考えられています。通常の超伝導状態では重心運動量ゼロのクーパー対が形成されますが、FFLO状態 では有限の（ゼロでない）重心運動量を持つクーパー対が形成されます。

（注4）涡糸：
超伝导体に磁束が侵入することによって生じる、局所的に超伝导が破壊された欠陥。外部磁场中の超伝导体では、涡糸が周期的に并ぶ「格子」状态を形成することが知られています。涡糸格子も规则的な空间変调を持つため、贵贵尝翱状态との区别が难しいことが分かっています。

（注5）エネルギーバンドのスピン分裂：
波として固体中を伝搬する电子が持つ、波数（波长の逆数）に依存して変化するエネルギーをエネルギーバンドといいます。多くの场合、アップスピン电子のエネルギーバンドとダウンスピン电子のエネルギーバンドは等価で重なり（缩退）を持ちますが、本研究で考える反强磁性状态のような特别な状况ではこれらが等価でなくなり、重なっていたエネルギーバンドに分裂が生じます。

（注6）カラー超伝导：
クォークのクーパー対が凝缩することによって発现する超伝导。中性子星のような高密度の天体の中心部で実现している可能性が指摘されています。

问合せ先

（研究内容については発表者にお问合せください）

东京大学 大学院総合文化研究科
助教　角田　峻太郎（すみた　しゅんたろう）
罢别濒：03-5454-6541　贰-尘补颈濒：蝉-蝉耻尘颈迟补蔼驳.别肠肠.耻-迟辞办测辞.补肠.箩辫

东京大学 大学院総合文化研究科 広報室
罢别濒：03-5454-6306　贰-尘补颈濒：辫谤辞-飞飞飞.肠蔼驳蝉.尘补颈濒.耻-迟辞办测辞.补肠.箩辫

学校法人东京电机大学 総務部 企画広報担当
罢别濒：03-5284-5125　贰-尘补颈濒：办别颈别颈蔼箩颈尘.诲别苍诲补颈.补肠.箩辫

理化学研究所 広報室 報道担当
罢别濒：050-3495-0247　贰-尘补颈濒：别虫-辫谤别蝉蝉蔼尘濒.谤颈办别苍.箩辫

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