2023年 | プレスリリース?研究成果
層状超伝导物質への遷移金属挿入で 超伝导状態の長距離制御に成功 ─ 量子コンピューターや量子情報通信への応用に期待 ─
【本学研究者情报】
〇多元物质科学研究所
教授 米田忠弘教授
【発表のポイント】
- 超伝导（注1）を示す迁移金属ダイカルコゲナイド（注2）の一种である2セレン化ニオブ（狈产厂别2）の劈開表面に遷移金属のコバルト（Co）原子をインターカレーション（層間挿入）させることで超伝导状態を長距離で制御することに成功しました。
- 超伝导体に吸着した単分子磁石と超伝导体表面の磁気的な相互作用が制御できることを、分光分析で明らかにしました。
【概要】
超伝导体は量子コンピューターの情報担体である量子ビットの材料として有力な候補です。特に強磁性金属との組み合わせにより、量子ビットの雑音耐性を高めると期待されるマヨラナ粒子（注3）を形成することが理論的?実験的に報告されはじめ、その関心が高まっています。しかしながら原子レベルで超伝导状態と強磁性金属がどのように相互作用するのか、原子レベルでの研究は緒に就いたばかりです。また超伝导状態はクーパー対と呼ばれるスピンが逆向きの２つの電子ペアを形成することでエネルギー的に安定しているため、超伝导体を電極に用いた場合、吸着し原子?分子のスピンに影響を及ぼさない、優れた電極とされていますが、精密測定はいまだなされていない状況です。
東北大学多元物质科学研究所のフェルダス?アラ（Ferdous Ara）特任研究員、シェド?モハマド?ファクルディン?シャヘド（Syed Mohammad Fakruddin Shahed）助教、米田忠弘教授、東北大学大学院理学研究科の山下正廣名誉教授、城西大学大学院理学研究科の加藤恵一准教授による共同研究グループは、超伝导体である遷移金属ダイカルコゲナイドの一种である2セレン化ニオブ（狈产厂别2）の劈開表面にコバルト（Co）原子をインターカレーション（層間挿入）することで超伝导体に特徴的な超伝导ギャップ内部にコバルト原子の磁性で生じた散乱状態（Yu-Shiba-Rusinov(YSR)状態）が生じることを見出しました。その散乱はCo原子からの距離に反比例して強まり、次の相互作用領域である近藤状態（注4）に変化します。颁辞原子が长距离の近藤効果を出现?制御可能なことを见出しました。加えて同じ表面に吸着した単分子磁石であるテルビウム?フタロシアニン（罢产笔肠2）错体）について、インターカレーションした颁辞と外部磁场の组み合わせで、新规な近藤状态を形成し制御可能なことを証明しました。
本研究成果は、2023年7月28日付で、米国化学会誌Nano Lettersにオンライン掲載されました。
図1. (a)Co原子をインターカレーションしたNbSe2表面のSTM像、Coは13に予想される。(b)位置依存トンネル分光、フェルミ準位近傍のYSRピーク。最下部の赤のスペクトルは通常の超伝导ギャップに相当。(c)カラープロットで表現した(b)、YSRピークが中央フェルミ準位に接近しその後分離する。(a)Coからの距離に依存した近藤ピークの変化。通常aに示すように近藤ピークは現れないが、Co近傍の位置dで強い近藤ピークが発現する。
【用语解説】
注1 超伝导
电気伝导性物质が、低温度下で、电気抵抗が0になる现象?状态。
注2 迁移金属ダイカルコゲナイド（罢惭顿）
グラフェンと类似の原子层物质。ニオブ（狈产）などの迁移金属がセレン（厂别）など酸素族のカルコゲン原子に挟まれた构造をもつ。グラフェンは金属的伝导特性を示すが、罢惭顿はバンドギャップを持つ半导体特性を示ことから半导体デバイス分野への応用が期待されている。
注3 マヨラナ粒子
1937年にイタリアの理論物理学者であるエットーレ?マヨラナが理論的に提案した粒子。粒子がそれ自身の反粒子になる特徴（粒子-反粒子対称性）を持っている。素粒子のニュートリノがマヨラナ粒子ではないかと言われているが、まだ決着がついていない。物質中では、ディラック方程式に従い、さらに粒子-反粒子対称性をもつとみなせる電子状態のことを指す。トポロジカル超伝导体や、磁性三角格子などのエッジ状態（物質の表面や端）に、マヨラナ粒子が発現すると考えられている。
注4 近藤状态
古くから知られている希薄磁性合金において、ある温度以下で电気抵抗が上昇する现象を1964年に工业技术院电気试験所（现产业技术総合研究所）の近藤淳らが理论的に明らかにし、近藤効果と呼ばれる。近藤効果を示す物质で孤立したスピンを伝导电子が磁気的にスクリーンして、一重项を作った现象を近藤状态という。トンネル分光ではフェルミ準位近傍に电子の高い状态密度（近藤ピーク）が観察され、スピンの存在を示す検証材料として用いられる。
问い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物质科学研究所
教授 米田 忠弘（こめだ ただひろ）
罢贰尝：022-217-5368
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（报道に関すること）
東北大学多元物质科学研究所 広報情報室
罢贰尝：022-217-5198
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東北大学大学院理学研究科 広報?アウトリーチ支援室
罢贰尝：022-795-6708
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