大阪大学大学院基礎工学研究科の高橋英史講師、大学院生の佐々木友博さん（博士前期課程）、石渡晋太郎教授らの研究グループは、名古屋大学大学院理学研究科の中埜彰俊助教、岡山大学学術研究院環境生命自然科学学域の秋葉和人助教、小林達生教授らと共同でストロンチウムと金とビスマスからなるトポロジカル半金属※1において、強誘電相転移に似た極性構造※2―非極性構造相転移と超伝導の両方が実現することを世界に先駆けて発見しました。
超伝導体は、医療機器として知られる磁気共鳴イメージング（MRI）や超伝導リニアなどの最先端の産業技術を支える材料の一つです。新しい超伝導体の開発は、このような産業応用だけでなく基礎研究の観点からも重要であり、標準理論であるＢＣＳ理論を超える特殊な超伝導状態の探索も進められています。例えば、典型的な超伝導は、空間反転対称性を破る極性構造相転移とは相性が悪いと考えられていましたが、近年それらの性質が活かされた新しいタイプの超伝導状態を示す材料が見つかりつつあります。
最近、研究グループは、極性－非極性相転移を持つSrAuBiという化合物が超伝導を示すことを発見し(図1)、極低温の物性測定や理論計算により、特殊な超伝導状態が実現している可能性を見いだしました。このSrAuBiは、ビスマスや金といった重元素からなる極性構造を有しており、さらに、トポロジカルなバンド構造に由来した表面状態の存在から、標準理論では説明のつかない超伝導が実現している可能性があります。本研究は、量子コンピュータのための超伝導素子などの革新的電子デバイスへの応用につながることが期待されます。この成果は、英文誌npj Quantum Materialsの 2023年12月号に12月20日に掲載されました。
◆ トポロジカルなバンド構造をもち、さらに強誘電相転移に似た極性－非極性構造相転移を示す極めて珍しい超伝導材料の合成に成功しました。
◆ 極性歪みがもたらす空間反転対称性の破れは、従来型の超伝導電子対(クーパー対)の生成を疎外します。さらにトポロジカルなバンド構造をもつ場合には、表面超伝導のような、従来の超伝導とは異なる特異な性質を持つ可能性があります。
◆ 空間反転対称性が破れた導電体では、トポロジカル超伝導のような特殊な量子状態が実現する可能性が提案されており、量子コンピュータ素子や革新的スピントロニクス材料への展開が期待されます。
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※1 半金属
金属と半導体の中間の性質を示す物質群の総称。伝導バンドの下部と価電子バンドの上部がフェルミ準位をわずかにまたいだバンド構造を持つ物質。伝導バンドと価電子バンドが重なり、フェルミ面近傍に線形なバンド分散が実現した場合には、ディラック・ワイル半金属のようなトポロジカル半金属と呼ばれる。
※2 極性構造
結晶を構成する陽イオンと陰イオンの重心位置がずれるような協同的イオン（原子）変位した構造。
本研究成果は、英文誌npj Quantum Materialsの 2023年12月号に12月20日に掲載されました。
タイトル：“Superconductivity in a ferroelectric-like topological semimetal SrAuBi”
著者名：Hidefumi Takahashi, Tomohiro Sasaki, Akitoshi Nakano, Kazuto Akiba,
Masayuki Takahashi, Alex H. Mayo, Masaho Onose, Tatsuo C. Kobayashi,
Shintaro Ishiwata
DOI：https://doi.org/10.1038/s41535-023-00612-4
なお、本研究は、科学研究費助成事業(KAKEN)「極性金属における機能創成」、「準安定スピントロニクス材料の戦略的高圧合成」（JP22H0034）及び「アシンメトリが彩る量子物質の可視化・設計・創出」（JP23H04871, JP23H0486）、村田学術振興財団の一環として行われ、大阪大学大学院基礎工学研究科、東北大学金属材料研究所（当時：博士）アレックス メイヨー浩氏の協力を得て行われました。
