スピンが偏った超伝導状態の検証に成功
―トポロジカル超伝導の実現へ向けて―

理化学研究所(理研) 創発物性科学研究センター 創発物性計測研究チームの岩谷克也上級研究員、花栗哲郎チームリーダー、東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の笹川崇男准教授らの共同研究グループは、「トポロジカル超伝導体」の候補物質β-PdBi2の表面において、スピンが偏った(スピン偏極した)特異な状態が超伝導になっていることを明らかにしました。
トポロジカル超伝導体は、試料内部では通常の超伝導を示しますが、表面や端(エッジ)にマヨラナ粒子と呼ばれる特異な粒子を持つことが理論的に提案されています。マヨラナ粒子は新しい原理に基づく量子コンピュータへの応用などの観点から大きな注目を集めている一方、現状ではトポロジカル超伝導の報告例が少なく、その存在を巡って論争が続いています。トポロジカル超伝導の実現には、試料表面でスピン偏極した電子状態を作り出し、そこに超伝導を誘起させることが重要です。しかしこれまで、スピン偏極と超伝導を同時に観測した例はありませんでした。
今回、共同研究グループは、トポロジカル超伝導体の候補物質として知られるβ-PdBi2(Pd:パラジウム、Bi:ビスマス)の高品質単結晶の作製に成功し、走査型トンネル顕微鏡法/分光法(STM/STS)を用いて、表面のスピン状態および超伝導状態を同時に観察しました。その結果、β-PdBi2の表面では全ての電子状態がスピン偏極しており、トポロジカル超伝導にとって非常に有利な状況にあることが分かりました。また、同時に超伝導ギャップの観測にも成功し、スピン偏極状態が超伝導になっていることを実験的に示しました。
本研究成果は、これまで調べることが難しかったスピン構造と超伝導の関係解明に向けて突破口を開くものであり、今後、トポロジカル超伝導の完全検証やマヨラナ粒子の検出へつながることが期待できます。
本研究成果は、国際科学雑誌「Nature Communications」(10月17日付:日本時間10月17日)に掲載されました。

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フロンティア材料研究所