研究内容
磁性を媒介とした超伝導
量子臨界点とunconventional超伝導
絶対零度において、圧力や磁場などを変化させることによって引き起こされる相転移を量子相転移といいます。量子相転移が起きる臨界点(量子臨界点)付近における物質中の電子の振る舞いは従来知られている描像とは異なり、エキゾチックな性質を示すことが近年明らかになってきました(磁場による新しい電子相の項も参照)。なかでも、いくつかの遍歴電子強磁性体や重い電子系では量子臨界点近傍で超伝導が見出されていて、よく知られたフォノンではなく、「磁気的な揺らぎ」を媒介とした超伝導が実現していると考えられています。このような超伝導はunconventional(新奇な)超伝導と呼ばれています。
本研究室ではこのようなunconventional超伝導物質の輸送・磁気特性を調べることによって「磁気的な揺らぎ」が超伝導にどのようにかかわっているかを調べています。遍歴強磁性超伝導体のZrZn2とUGe2の温度−圧力−磁場相図。UGe2は量子臨界点が2つあり、より低圧側の臨界点近傍で超伝導が見出されている。本研究室ではZrZn2でもUGe2と同じ相図を持つことを明らかにした。
反転対称性のない超伝導
フォノン型の超伝導では、超伝導を担う電子対(クーパー対)は「シングレット・s波」の対称性を持つことが知られています。これは電子対が上向きスピンと下向きスピン1重項状態で、s波(球対称)の軌道角運動量を持っていることを意味します。ところが、磁性を媒介とした(あるいは量子臨界点近傍で誘起される)超伝導では「シングレット・d波」や「トリプレット・p波」といった異方的な対称性を持つことが示されています。
このように異方的な対称性を持った超伝導の議論は、3He(ヘリウムガスの同位体)の超流動に関する理論がベースになっています。3Heは中性子を1つしか持たず、電子と同じくスピン1/2のフェルミ粒子です。3Heの超流動は、低温でクーパー対を形成してボーズ・アインシュタイン凝縮を起こすという点で超伝導と本質的に同じ現象です。ただし超伝導は、結晶の対称性とスピン−軌道相互作用が存在する点で、3He超流動と大きく異なります。
今までのunconventional超伝導に対する理解は、結晶構造に反転対称性のあるものを前提としていました(反転対称性とは180°回転したときに元の形と重なるような(主軸以外の)軸が存在するような性質を言います)。これは、少なくともトリプレットの超伝導では反転対称性が必要条件であると考えられていたからです。この場合スピン−軌道相互作用があっても、バンドは縮退しているため、シングレットでd波とか、トリプレットでp波といったようにスピンと軌道を独立に扱うことができます。ところが、結晶構造に反転対称性がないとこのような描像が成り立たなくなってしまいます。今のところ反転対称性のない(unconventional)超伝導のクーパー対の正しい描像はわかっていません。本研究室ではこのような新しい超伝導の物質開発を行っており、つい最近CeRhSi3という反転対称性のない重い電子系物質で超伝導を発見しました。
(左) CeRhSi3の結晶構造。反転対称性がない。
(右) CeRhSi3の温度−圧力相図。圧力印加によって超伝導相が出現する。
反転対称性のない超伝導における上部臨界磁場
破壊効果によって決まり、それぞれの効果で規定される最大磁場をパウリ・リミット(HP)、オービタル・リミット(Horb)と呼んでいます。Hc2は両リミットを越えることはできません。通常1K程度転移温度(Tc)を持つ超伝導は最大でも2T程度の磁場で超伝導は破壊されてしまいます。
我々の研究室では、Tc=1.1 KのCeRhSi3のHc2が測定限界(16 T)をはるかに超えるほど高い値を示していることを明らかにしました。反転対称性の破れた超伝導ではパウリ・リミットが極端に大きくなりうることが理論的に予想されており、我々の実験結果はこの予想をはじめて確認したことになります。
このような異常に高いHc2は他の重い電子系超伝導でも見られないきわめて特異な性質です。特に、Hc2/Tcの高さは、他の超伝導物質と比較しても突出しています。
CeRhSi3の上部臨界磁場の温度依存性。磁場c軸方向ではいずれの圧力でも極めて大きなHc2をもち、a軸方向でも7.5Tに達する大きな値を示す。
極低温量子物理研究グループ
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