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磁性半導体中にスピン三重項の超伝導電流を流すことに成功

東京大学物性研究所の中村壮智助教、勝本信吾教授らの研究グループは、東京大学工学系研究科田中雅明教授、大矢忍准教授、Le Duc Anh助教らのグループと共同で、磁性半導体中にスピン三重項の超伝導電流を流すことに成功しました。

電子が対を作ることで電気抵抗がゼロとなる超伝導現象は発見から百年以上経つ現在も盛んに研究が行われており、いくつかの種類があることが知られています。そのほとんどは↑と↓のスピンを持つ電子が対となったスピン一重項超伝導と呼ばれるものです。↑と↑の様に同じスピンが対を組んだスピン三重項超伝導と呼ばれるものは極めて少なく、いくつかの化合物や金属中で観測された例があるだけでした。

今回、研究グループは半導体であるヒ化インジウムInAsのインジウムを鉄Feで置換した磁性半導体 (In,Fe)Asの基板上にニオブNbをベースとする超伝導接合を作製し(図1)、極低温で磁性半導体中に超伝導を導入することでスピン三重項超伝導の超伝導電流を発生させることを試みました。磁性半導体は磁性体と半導体の性質を併せ持つことから電荷とスピンを両方用いるスピントロニクス材料として注目されていますが、超伝導体とは相性が悪くこれまでに超伝導の導入に成功した事例はありませんでした。極低温で温度や磁場を変化させながら詳細に電気伝導特性を調べると、絶対温度1度以下で抵抗がゼロとなり、その臨界電流が磁場に対して周期的に増減する干渉効果を観測しました(図2)。このことは(In,Fe)Asを介してNb間に超伝導に特有なジョセフソン効果(注1)が生じていることを証明しており、磁性半導体中を流れる超伝導電流を観測した初めての成果と言えます。

図1 試料構造の模式図
図1 試料構造の模式図
図2 超伝導接合抵抗の電流および磁場依存性
図2 超伝導接合抵抗の電流および磁場依存性

さらに、試料構造と(In,Fe)Asの強磁性交換相互作用(注2)を考慮した解析から、これが通常のスピン一重項超伝導ではなくスピン三重項の超伝導電流であることを明らかにしました。また、様々な条件で磁場を変化させ、磁場に対する周期パターンを詳細に解析することで、これまでのスピン三重項超伝導の報告にはなかった奇妙なヒステリシス(注3)があることを発見しました。これは(In,Fe)Asの磁性半導体としての性質に起因しており、同時にスピン三重項超伝導であることを示す結果です。本成果により、磁性、半導体、超伝導を繋ぐ、新しい超伝導スピントロニクスデバイスの開発が進展することが期待できます。

本研究成果は、2019年3月15日に米国科学誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載されました。

論文情報

用語解説

注1:ジョセフソン効果
超伝導体で非超伝導体(抵抗がゼロでない物質)を挟むと、それらの直列の合成抵抗がゼロになる現象。超伝導体と間に挟む非超伝導体の両方の性質を反映して現れる量子力学的効果。
注2:強磁性交換相互作用
電子の間に働く量子力学的な相互作用のうち、それぞれの電子スピンを揃えようとする働きのある相互作用。
注3:ヒステリシス
履歴効果とも呼ばれ、物質の状態が前の状態に依存すること。例えば、強磁性体にプラスの磁場をかけた状態から磁場をゼロにした時と、マイナスの磁場をかけた状態から磁場をゼロにした時で、同じ磁場ゼロの状態にもかかわらず強磁性体の磁化の大きさや向きが異なる。このような時、ヒステリシスがあるという。

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(公開日: 2019年03月25日)