| 研究課題/領域番号 |
20K14413
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
家永 紘一郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (50725413)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | ２次元超伝導体 / 熱電効果 / 超伝導-絶縁体転移 / 量子渦(渦糸) / 異常金属状態 |
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| 研究実績の概要 |
2次元超伝導体に磁場を印加すると，超伝導から絶縁体への量子相転移が生じる．ところが，アモルファスの中でも比較的乱れ効果の弱いアモルファスMoGeや単結晶原子膜では，2次元系では許されないはずの絶対零度の金属状態(異常金属状態)が超伝導相と絶縁体相の間に観測されている．この現象は極低温下の量子ゆらぎによって生じると予想されるが，過去の実験のほとんどは電気抵抗測定に限られており，その起源は完全には明らかにされていない．そこで本課題では，超伝導ゆらぎを敏感に検出できる熱電効果測定を用いて起源解明に挑む．超伝導ゆらぎは秩序変数の振幅のゆらぎと位相のゆらぎに大別され，後者は磁場中で超伝導体を貫く量子化磁束(渦糸)の運動に起因する．本手法では両者を区別可能である．
2020年度より前までに，薄膜試料の熱電効果を極低温・高磁場下で測定する方法を確立させ，アモルファスMoGeの2次元薄膜(厚さ12 nm)の測定を進めていた．電気抵抗測定から磁場誘起の超伝導-金属-絶縁体転移が観測され，100 mKまでの熱電効果測定によって異常金属状態内で渦糸由来の熱電信号が観測されたことから，異常金属状態の起源は量子渦糸液体であることが分かりつつあった．2020年度では特に，低温部までの配線の改良やノイズ対策を施すことで熱電効果測定を高精度化させることに成功した．その結果，渦糸の持つ輸送エントロピーを定量評価することが可能になり，量子渦糸液体の輸送エントロピーは極低温下で非常にゆるやかに減衰するという量子臨界性を示すことが明らかになった．このことは，超伝導-絶縁体転移における量子臨界点の広がりによって異常金属状態が出現していることを示唆している．以上の成果はPhysical Review Letters誌に掲載され，本成果を元に執筆した解説記事が固体物理(アグネ技術センター編)に掲載された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度に施したノイズ対策により測定精度が向上した結果，アモルファスMoGeの2次元薄膜の輸送エントロピーについて極低温域まで議論可能になり，論文成果へとつながった．さらにその後，膜厚をさらに薄くして局在効果を高めたアモルファスMoGe薄膜についても測定を実施中であり，量子ゆらぎの効果が増強されることが確認できつつある．このように，研究は概ね順調に進行している．
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| 今後の研究の推進方策 |
乱れ効果の強い系では，臨界点近傍においてクーパー対が局在化したボース絶縁体が形成され，そこでは渦糸のボース凝縮が生じることが理論的に予想されている．そこで2021年度は，乱れ効果の強い試料を用いて，まずは電気抵抗が絶縁体的に振る舞う温度・磁場領域中において渦糸由来の熱電信号を検出することを目指す．その後，ボース凝縮が期待される極低温域でも熱電信号を調べ，凝縮状態がどのようなゆらぎ状態として記述されるかを実験的に決定する．乱れ効果の強い試料として，まずは膜厚をさらに薄くしたアモルファスMoGe薄膜を用い，現在の測定を継続する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初の計画では，測定装置の配線の改良やノイズ対策を行った後に，研究室保有のナノボルトメーターよりもさらに高い電圧計測精度を有するピコボルトメーターを購入する予定であった．しかし新型コロナウイルスによる大学閉鎖や出校制限を受けて，購入の検討のための予備実験を行う時間が十分にとれなかった．今年度の成果は，研究室保有のナノボルトメーターの性能を限界まで引き出して測定されたものである．さらに測定精度を向上させるために，来年度にあらためて購入の検討を行う．
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