Manipulation of vortex states in small superconducting thin films

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K05537
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 小久保 伸人 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (80372340)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡安 悟 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (50354824)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 超伝導 / 量子渦 / メゾスコピック系 / SPMプローブ顕微鏡（SSM） / 低温物性

Outline of Annual Research Achievements

本課題研究では，正三角形状の微小な超伝導薄膜試料を作製し，対称性の議論から出現が期待される反渦を伴う渦分子の直接観測を走査SQUID磁気顕微鏡で試みてきた。これまでの結果を簡単にまとめると，まず，一様な磁場下で冷却したアモルファス薄膜の試料では，試料形状とコメンシュレイト（つり合い）となる渦配列が現れるのは，渦度が主に三角数となるときに限られた。反渦の出現が期待される渦度では，試料形状の対称性を満足しない渦配列が現れ，反渦を観測できなかった。この原因を探るべく，渦と反渦との対消滅の可能性に着目し，渦をピン止めする微細な穴を試料に導入したが，反渦の観測に至らなかった。視点を変え，あらかじめ試料中央の穴にピン止め捕捉した渦を印可磁場の反転で反渦化し，周囲の残りの穴に渦を誘起したところ，数値計算で期待される反渦分子を観測することに成功した。非平衡過程を経てはじめて実現する凖安定な反渦分子であることがわかった。一方，対消滅が試料内の不均質性に起因する可能性があったため，良質なNbSe2単結晶薄片から同等な形状の試料を作製し，一定の磁場中で冷却温度や冷却速度を変えながら渦配列の観測を試みたが，反渦の観測に至らなかった。これは反渦分子が準安定な状態であり，一様な磁場中の冷却過程では誘起されないことを強く示唆する。得られた結果をより確かなものとするため，非平衡過程で反渦分子の誘起を試みたが，試料端で渦が捕捉される別の課題が生じた。当初の補助事業期間を延長し，試料端の表面バリア効果を抑えた試料で反渦分子の観測実験を予定していたが，コロナ禍のため実施できなかった。