[論文]非量子化磁束を運ぶ超伝導渦糸の観測

日本語/English

多バンド超伝導体において量子磁束の一部のみを運ぶ渦糸の直接観測を行った研究が米国科学振興協会が発行する科学学術雑誌「Science誌」に2023年6月1日付けで掲載されました。この研究はスタンフォード大、産総研、上海交通大、KTHによる共同研究です。KTHと上海交通大からプレスリリース（英語）が出ています。

Y. Iguchi et al., Science 380, 1244-1247 (2023).(Open access link)

コーヒーカップの中など、古典的な流体ではスプーンで大きな渦や小さな渦を作ることができます。同様に、大気中の古典的な気体では小さな渦や非常に大きな渦（竜巻）を作ることができます。しかし、量子の世界ではこれとは非常に異なります。

物質中で電子が渦を作ると中心に磁場ができます。超伝導体はある条件下で磁場が細い一本の束（磁束）となって結晶内を通ります（渦糸）。第２種超伝導体の単結晶内に存在する孤立した渦糸内に捕えられた磁束は、$n\Phi_0=nh/2e$という式で離散的な値を取ります。ここで、$n$は整数、$h$はプランク定数、$e$は電子の電荷です。この離散性は、渦糸周りのクーパー対が$2n\pi$の位相を巻き込むためです。また、$d$波超伝導体の粒界上に存在する固有のジョセフソン結合においては、半整数（$n=1/2$）の渦糸が観測されることが知られています。これは$\pi$の位相を巻き込むことによる現象です。

さらに、第２種マルチバンド超伝導体の単結晶におけるマルチバンド効果について考えましょう。ギンツブルグーランダウ理論のレベルでは、一つのバンドのみで量子位相の巻き込みが起こると予想されており、これにより部分的な磁束を持つ非量子化渦糸が誘起されると考えられます。ただし、このような渦糸は2002年の理論的な発見以来、実験的には観測されていませんでした。

私たちは初めて、マルチバンド超伝導体K$_x$Ba$_{1-x}$Fe$_2$As$_2$内で類似の孤立した渦糸を観測しました。これらの渦糸は$\Phi_0$の一部のみを運びます。走査型SQUID顕微鏡を使用してK$_x$Ba$_{1-x}$Fe$_2$As$_2$内の渦糸を操作することで、一部の渦糸が温度に依存した量子化されていない磁束を持つことがわかりました。この現象は、同一温度範囲内で数ミリメートルスケールで同様に観測されました。これらの現象は、粒界上の半整数渦糸とは明らかに異なるものです。