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トポロジカル物質で超伝導ダイオードを実現

理化学研究所と東北大学の共同研究グループは、トポロジカル絶縁体 の超伝導界面において、超伝導電流の整流効果を観測しました。トポロジカル絶縁体は固体内部では電気を流さない絶縁体ですが、表面でのみ電気を流す金属として振る舞う物質のことです。表面を流れる電子は、そのスピンの方向が運動方向に対して常に垂直の方向に向くというスピン運動量ロッキングと呼ばれる性質を持っており、通常の金属や半導体、絶縁体とは異なる興味深い種々の物性が現れます。

超電導状態とは電気抵抗がゼロの状態です。トポロジカル絶縁体の内部は電気が流れないため電気抵抗は無限大ですが、その表面は電気抵抗がゼロですので、そのどこかに境界部分、超電導界面があることになります。その超電導界面で整流効果、つまり電流の流れる方向によって抵抗が異なる効果を観測できたということで、ダイオードの一種がこの状態に該当します。以上をまとめるとトポロジカル絶縁体の超電導界面でダイオードのような性質が観測された、という意味になります。

トポロジカル絶縁体に磁石の性質を持たせることで、既存物質の性能を超えるスピントロニクス機能性や、エネルギー散逸の極めて少ない電気伝導が実現することが明らかになってきました。磁石に替えて超伝導体、つまり、トポロジカル絶縁体と超伝導体を組み合わせることにより、通常の超伝導体と異なるトポロジカル超伝導体 の実現が予言されています。しかし、どのような物質がトポロジカル超伝導体としてふさわしい物質なのかよくわかっておらず、研究は進展していませんでした。今回研究チームは、FeTe(Fe:鉄、Te:テルル)とBi2Te3(Bi:ビスマス、Te:テルル)の積層界面にあらわれるトポロジカル絶縁体表面状態を使って解析に成功しました。この物質が超伝導体になる温度は7 K(約- 266℃)です。

本研究結果から、トポロジカル絶縁体と超伝導体との接合によって、超伝導電流の流れる方向を効果的に制御できることが明らかになりました。これは、磁場で制御可能な超伝導電流のダイオードとして応用できると期待できます。

トポロジカル物質で超伝導ダイオードを実現




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2019-07-16 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :
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