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超伝導体においてスピン配列の制御を実現 ～高速・低消費電力な超伝導メモリーなどへの応用に期待～（産総研）
ポイント
- 超伝導体中で磁束量子がスピンの向きを決める現象を発見
- 磁束量子の向きと配置を操作することによるスピン配列の制御に成功
- 高速・低消費電力の超伝導回路のメモリー機能などへの応用可能性に期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】（以下「産総研」という）電子光基礎技術研究部門【研究部門長 澤 彰仁】超伝導エレクトロニクスグループ 石田 茂之 主任研究員、荻野 拓 主任研究員、伊豫 彰 上級主任研究員、永崎 洋 首席研究員と、一般財団法人 総合科学研究機構（CROSS）、ウィーン工科大学、株式会社 イムラ・ジャパン（以下、「イムラ・ジャパン」）は、鉄系磁性高温超伝導体※1EuRbFe4As4の超伝導※2とユーロピウム（Eu）の磁性※3が共存する状態で、磁束量子※4の向きによってスピン※5の向きが決まる現象を発見し、これを利用したスピン配列の制御に成功した。
一般に超伝導と磁性は競合し、相容れない関係にある。産総研で最近発見されたEuRbFe4As4は、高い温度で両者が共存する極めて珍しい性質を持ち、新現象が起こり得る物質として注目されている。今回発見した現象は、超伝導体内で磁束量子の情報をスピンの情報に反映できることを示唆しており、メモリー機能などに応用できる可能性がある。超伝導デバイスのメモリー機能は、近年注目される超伝導量子コンピューター※6の開発課題の一つにも挙げられており、高速・低消費電力のオール超伝導回路の実現に向けた要素技術につながると期待される。
なお、この技術の詳細は、2021年9月6日（米国東部標準時間）に米国の学術誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」（米国科学アカデミー紀要）にオンライン掲載される。
図 今回実証した磁束量子によるスピン配列制御の概要
今後の予定
今回発見した現象のメカニズムの解明に向け、より詳細な実験を実施するとともに理論の構築を行う。また、超伝導デバイスへの応用に向けて、磁束量子の向きと位置の精密制御といった要素技術開発を目指す。
注釈
- ※1 鉄系磁性高温超伝導体
- 鉄を含む層状化合物で超伝導を示す物質群は、高い臨界温度を有することから鉄系高温超伝導体と呼ばれる。その中で、磁性を示す層（ここではEu層）を含む物質群は、超伝導と磁性が共存する磁性超伝導体に分類され、基礎と応用の両方面から注目されている。
- ※2 超伝導
- 物質を低温にすると、ある温度（臨界温度）で電気抵抗がゼロの状態に変化するものがある。このような物質は超伝導体と呼ばれ、医療用MRIやリニアモーターカーなどに応用されている。超伝導体は磁場を排除する性質（マイスナー効果）を示すが、磁場が強くなると超伝導体内部に侵入する。超伝導体では、侵入した磁場が一様ではなく、磁束量子として離散的に分布するという特徴がある。
- ※3 磁性
- 物質中の原子が持つスピンの方向が物質全体で整列することがある。スピンの並び方により、例えばスピンが同じ方向を向く場合は強磁性、互いに反対を向くときは反強磁性、らせん状に配列するものはらせん磁性と呼ばれる。
- ※4 磁束量子
- 通常、磁束は連続的な値をとるが、磁束を超伝導リングの内側に閉じ込めると、φ0 = h/2e（h：プランク定数、e：電荷素量）という量子力学的な物理定数の整数倍の値しかとらなくなる。これを磁束の量子化といい、その最小単位であるφ0を磁束量子と呼ぶ。
- ※5 スピン
- 電子の持つ量子力学的自由度の一つで、自転のような性質をスピンと呼ぶ。スピンは磁気の発生源であり、上向きと下向きの2種類のスピン自由度がある。
- ※6 超伝導量子コンピューター
- 従来のコンピューターでは「0または1」の2つの状態を用いて計算するのに対し、量子コンピューターでは量子力学の重ね合わせ状態（「0であり1でもある」状態）を利用して計算を行う。量子計算を行う回路の基本構成要素に超伝導量子ビットを用いるものを超伝導量子コンピューターと呼ぶ。
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