NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点表面量子相物質グループの内橋隆グループリーダー（北海道大学大学院理学院物性物理学専攻客員教授（連携分野教員）兼務）は、同先端材料解析研究拠点ナノプローブグループの吉澤俊介主任研究員、東京大学物性研究所の矢治光一郎助教（研究当時／現 NIMS先端材料解析研究拠点シンクロトロンＸ線グループ主任研究員）、大阪大学大学院工学研究科物理学系専攻の坂本一之教授と共同で、磁場によって容易に破壊される超伝導が、原子レベルの厚さでは強磁場中でも破壊されない現象を発見、そのメカニズムを解明しました。磁場に強い超伝導材料開発の道筋を示すとともに、磁性体との組み合わせで実現が期待されるトポロジカル超伝導体（注1）の開発に大きく貢献することが期待されます。

超伝導は病院でのMRI（核磁気共鳴画像法）や超高感度磁気センサーなどさまざまな分野で応用されています。中でも特に近年注目を集めているのが、トポロジカル超伝導体です。トポロジカル超伝導体は、量子情報を長時間保持できるため、量子コンピュータの素子として利用すれば、より複雑な演算が可能になるといわれており、その実現には、超伝導体と磁性体を組み合わせたハイブリッド構造をとることが有望視されています。一方で、超伝導体と磁性体を接近させると強い「磁場」が発生しますが、超伝導は磁場（磁気）によって容易に壊れてしまうという性質があるため、トポロジカル超伝導体実現のために、磁場に対して頑強な性質をもつ超伝導体の開発が望まれています。

今回、研究チームは、代表的な超伝導体であるインジウムを原子レベルの厚さまで削った超薄膜結晶を用いることで、強い磁場でも超伝導が破壊されない新たなメカニズムを発見しました。通常は磁場をかけるとスピン（注2）との相互作用によって電子のエネルギーが変化するため超伝導が壊れます。しかし原子層の2次元結晶では、スピンの向きが電子の運動方向と直結し、運動方向が変わるたびにスピンに回転の「ひねり」が与えられます（図１）。そのため、スピンの向きが頻繁に変化し、磁場によるエネルギー変化がキャンセルされて超伝導が壊れません。これにより、超伝導が壊れる臨界磁場は従来の理論値の3倍程度（16～20 T）にまで増強されることがわかりました（図２）。インジウム自体はごくありふれた超伝導体であり、このメカニズムは特殊な結晶構造や電子間の強い相互作用などを必要としないため、汎用性の高い一般的な原理といえます。

今後、同研究グループは、より磁場に強い超伝導超薄膜の開発をおこないます。さらに、超伝導－磁性体ハイブリッド型のデバイスを作製し、次世代量子コンピュータの実現に欠かせないとされるトポロジカル超伝導体の開発へとつなげていく予定です。

本成果はNature Communications 誌にて英国時間2021年3月5日15時（日本時間6日0時）に掲載されました。

NIMS発表のプレスリリース

掲載論文

• 雑誌：Nature Communications
• 題目：Atomic-layer Rashba-type superconductor protected by dynamic spin-momentum locking
• 著者：Shunsuke Yoshizawa, Takahiro Kobayashi, Yoshitaka Nakata, Koichiro Yaji, Kenta Yokota, Fumio Komori, Shik Shin, Kazuyuki Sakamoto, and Takashi Uchihashi

用語解説

(注1) トポロジカル超伝導体

ある種の物質は電子状態としてトポロジカルな性質（連続変形に対する不変量が存在すること）をもっており、トポロジカルな性質をもつ超伝導体のことをトポロジカル超伝導体と呼ぶ。トポロジカル超伝導体中に発生する超伝導電流の渦中心には、マヨラナ状態と呼ばれる特異な状態が存在することが知られており、このマヨラナ状態を利用することで、量子情報を長時間保持して複雑な演算をすることのできる革新的な量子コンピュータが実現できると期待されている。

(注2) スピン

電子（または他の素粒子）に付随する自由度の一つであり、物質の磁性の起源である。スピンはN極とS極をもつ微小な磁石とみなすことができ、イメージ的にはS極からN極に向かう方向の矢印として表現できる。通常はスピンの方向は電子の運動方向からは独立しており、自由に変化できる。