超伝導

超伝導現象は1911年にオランダの研究者カマリンオンネス(Kamerlingh Onnes)によって水銀で発見されました。その発現機構の解明は、1957年にアメリカの研究者バーディーン(Bardeen)、クーパー(Cooper)、シュリーファー(Shrieffer)らによってなされ、頭文字を並べBCS理論と呼ばれています。現在、超伝導の基礎的な研究は大きく分けて２つに分かれます。１つは、BCS理論で説明できない非従来型超伝導の発現機構に関するものです。もう一方は、高い超伝導転移温度を持つ超伝導体の実現です。重い電子系における超伝導は前者の非従来型の超伝導で、摂待研の研究テーマもこちらがメインになります。後者の高い転移温度を持つ超伝導体については、2020年に超高圧力下(100-300GPa)でついに室温超伝導が観測されました。

超伝導現象を実際に見てみよう
超伝導現象は目で見ることができる量子現象の１つです。下の動画は超伝導のデモンストレーションです。最初の丸棒磁石が弾かれているのが完全反磁性の「マイスナー効果」です。次に強い磁石を近づけると浮くことがわかります。この時、強い磁石から発生する磁束は超伝導体内部の一部を貫いています。この磁束が磁石をピンで留めたように超伝導体に浮くことから「ピン留め効果」と呼ばれています。後半では超伝導体を強い磁石の上に浮かし、上下逆さにしています。このことからピン止め効果によって超伝導体が磁束によってとらえられている様子がよくわかります。

反転対称性のない超伝導
結晶構造に空間反転対称性をもたない系では、結晶内に自発的な電場が発生し、電子状態に影響を及ぼします。特に超伝導状態に関して興味ある振る舞いが観測されています。

例えば私たちが盛んに研究を行なっている反強磁性体CeIrSi₃は反転中心をもたない正方晶の結晶構造をしており、c面に平行なミラー面がありません。そのため、c軸方向に電場が生じます。伝導電子はこの自発的な電場と反対称スピン軌道相互作用を通して結合します。反対称スピン軌道相互作用はc軸を中心に回転する有効的な磁場を発生させ、アップとダウンのスピン状態の縮退がとけることで、フェルミ面が分裂します。それぞれのフェルミ面はc軸を中心にc面内で右回りまたは左回りに旋回するスピンを持ちます。通常の超伝導体は同一フェルミ面内の電子同士がクーパー対を作ります。一方、空間反転対称性のない系ではフェルミ面が分裂しているのでそれができません。その結果、一重項と三重項が混ざった変な超伝導が発現することが理論的に指摘されています。また、スピンがc面内に寝ているためにc軸方向に磁場を印加したときに、常磁性効果が働かず巨大な上部臨界磁場を示すのも大きな特徴です。
　CeIrSi₃は常庄では反強磁性体ですが圧力下で超伝導を示し、空間反転対称性のない系の特徴ある物性を示しています。この超伝導には4f電子由来の強相関の効果も含まれており、純粋な反転対称性のない系を議論するためにもf電子を含まないLaなどの系も研究を行なっています。