超伝導のブレークスルー: 科学者が量子物質の新たな状態を発見

コーネル大学2023年8月29日

コーネル大学の科学者らは、ジテルル化ウランに新たな量子物質状態を発見した。これは、超安定な量子コンピューターのための材料プラットフォームを形成し、さまざまな材料でそのような状態を識別するための新たな道を明らかにすることで、量子コンピューティングとスピントロニクスに革命をもたらす可能性がある。

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">量子コンピューティングとスピントロニクス。

コーネル大学の巨視的量子物質グループの研究者らは、世界で最も強力なミリケルビン走査ジョセフソントンネル顕微鏡（SJTM）の1つを使用して、新しい珍しい超伝導体であるジテルル化ウラン（UTe2）の結晶状態でありながら超伝導状態を発見し、可視化した。 この「スピン三重項電子対結晶」は、これまで知られていなかったトポロジカル量子物質の状態です。

この研究結果は最近、Nature誌に掲載されました。 芸術科学大学のジェームズ・ギルバート・ホワイト名誉教授である物理学者J・C・シーマス・デイビスの研究室で働く博士研究員Qiangqiang Gu氏は、ユニバーシティ・カレッジ・コークのジョー・キャロル氏およびオックスフォード大学のShuqiu Wang氏と共同研究を主導した。

超伝導体は、ペアのポテンシャルが奇数パリティを示す場合にトポロジカルであり、各電子対がスピン三重項状態をとり、両方の電子スピンが同じ方向を向いています。 トポロジカル超伝導体は理論上、超安定な量子コンピューターの材料プラットフォームを形成できるため、物理学者による熱心な研究の対象となっているとGu氏は述べた。

しかし、トポロジカル超伝導についての10年間の熱心な研究にもかかわらず、同じくコーネル大学で発見された超流動3Heを除いて、バルク材料がスピン三重項奇数パリティ超伝導体として明確に認識されたことはない。 最近、エキゾチックな新物質であるジテルル化ウラン (UTe2) が、この分類の非常に有望な候補として浮上しました。 しかし、その超伝導秩序パラメータは依然としてとらえどころがないとGu氏は述べた。

2021 年、理論物理学者は、UTe2 が実際にはトポロジカル ペア密度波 (PDW) 状態にあると提案し始めました。 そのような形の量子物質はこれまで検出されていませんでした。

簡単に言うと、PDW は超伝導体に見られる電子対の定常的なダンスのようなものですが、電子対は空間内で周期的な結晶パターンを形成します。

「コーネル大学の私たちのチームは、その目的のために発明した超伝導チップを備えた走査型ジョセフソントンネル顕微鏡を使用して、2016年に史上初のPDWを発見しました」とGu氏は述べた。 「それ以来、私たちはミリケルビン温度とマイクロボルトのエネルギー分解能での SJTM 研究の先駆者となりました。 UTe2 プロジェクトでは、超伝導ペアリングポテンシャルの空間変調を原子スケールで直接視覚化し、電子対の密度が空間内で周期的に変調するため、PDW 状態では予測どおりに変調することがわかりました。 私たちが検出したのは、新しい量子物質状態、つまりスピン三重項クーパー対で構成されるトポロジカル対密度波です。」

クーパー対密度波は、すべてが同じ自由に移動できる状態にある従来の「超伝導」流体を形成するのではなく、電子の対が超伝導 PDW 状態に凍結する電子量子物質の一種です。

「スピン三重項超伝導体における最初の PDW の発見はエキサイティングです」と Gu 氏は述べています。 「ウランベースの重フェルミオン超伝導化合物は、トポロジカル超伝導の実現に有望なプラットフォームを提供する、新しいエキゾチックなクラスの材料です。 …我々の科学的発見はまた、s波、d波、p波の超伝導体におけるこの興味深い量子状態の偏在性を指摘しており、広範囲の材料においてそのような状態を特定するための新たな道に光を当てている。」