51探花

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　木俣　基（研究开始时）

【発表のポイント】

• スメクチック磁束液晶で欠陥涡（スメクチック?ディスロケーション涡）のダイナミクスを初観测。
• マグナス力が支配する新しい磁束涡ダイナミクスをホール応答として実証。
• 超伝导をトポロジカル流体として理解する新しい视点を提示。

【概要】

北海道大学大学院理学研究院の延兼启纯助教、同大学大学院理学院の髙桥杏介氏（研究当时）、同大学大学院理学研究院の松永悟明准教授、日本原子力研究开発机构原子力科学研究所先端基础研究センター（研究开始时：东北大学金属材料研究所）の木俣　基研究副主干、北海道大学丹田　聡名誉教授らの研究グループは、超伝导*¹体中に形成される「スメクチック磁束液晶^*2」において、トポロジカル欠陥「スメクチック?ディスロケーション涡^*3」の运动を初めて捉え、流体力学的なマグナス力^*4が支配する新しい磁束涡ダイナミクスの観测に成功しました。

超伝导体に磁场を加えると、内部には磁束と呼ばれる糸状の量子涡*⁵が侵入します。通常、この磁束は比较的刚直な线として振る舞い、电流を流すと电磁気学的なローレンツ力^*6によって动く「磁束フロー」が生じます。一方、磁束の周囲には超伝导电流が循环しているため、流体中の涡と同様に流体力学的なマグナス力が働く可能性が理论的に指摘されてきましたが、その寄与を実験的に明确に示すことは困难でした。

本研究では、磁束が液晶のように层状に并ぶスメクチック磁束液晶状态において、磁束の再结合によって生成されるトポロジカル欠陥「スメクチック?ディスロケーション涡」がラメラ层^*7构造に沿って运动することを见いだしました。この欠陥涡は一次元的なラメラ层に拘束されるため、涡に働くマグナス力の効果が顕着となり、従来のローレンツ力だけでは説明できない特异なホール応答として観测されました。本成果は、超伝导体をトポロジカル欠陥が支配する流体として理解する新しい物理像を提示するとともに、涡ダイナミクスの制御に基づく新しい量子输送现象の开拓につながることが期待されます。

なお、本研究成果は、2026年3月25日（水）公开のPhysical Review Letters誌に掲载されました。

【用语解説】

＊1 超伝導 ... 物質を低温まで冷やすと、電気抵抗が完全にゼロになる現象。電流がエネルギー損失なく流れるため、省エネルギー低次元電子デバイスや量子コンピュータなどへの応用が期待されている。

＊2 スメクチック磁束液晶 ... 磁束が層状に並び、液晶のような秩序を示す状態。磁束は完全な結晶のように固定されるのではなく、層に沿って比較的自由に動くことができるため、独特のダイナミクスが現れる。

＊3 スメクチック?ディスロケーション渦 ... スメクチック磁束液晶の層構造の欠陥として生じる特別な磁束渦。層のつなぎ目に沿って運動するトポロジカル欠陥であり、本研究ではこの欠陥渦の運動が重要な役割を果たすことが示された。

＊4 マグナス力 ... 流体中で回転する渦に働く横向きの力。野球のカーブやサッカーボールの変化球を曲げる力として知られる。超伝導体の磁束にも同様の力が働く可能性が指摘されてきた。

＊5 量子渦（磁束） ... 超伝導体に磁場を加えると、磁場は一様には侵入できず、「量子化された磁束の束（磁束量子）」として細い糸状の構造を作る。この磁束の周囲では超伝導電流が渦状に循環しており、「量子渦」とも呼ばれる。磁束が動くと電圧が発生するため、磁束の運動は超伝導体の電気特性を決める重要な要素である。

＊6 ローレンツ力 ... 電流と磁場が存在するときに働く電磁気学的な力。超伝導体では、この力によって磁束が動かされることが知られており、磁束フローによる電気抵抗の原因となる。

＊7 ラメラ層 ... 層状に規則正しく並んだ構造のこと。液晶の一種であるスメクチック液晶では、分子や
构造体が平行なシート（层）を形成し、何层も积み重なった状态になる。この层构造をラメラ层と呼ぶ。

【论文情报】

タイトル：Magnus-driven Hall transport in a smectic vortex state（スメクチック磁束状態におけるマグナス力駆動のホール輸送）
著者： 延兼啓純^1、3、髙桥杏介^{2（研究当时）}、松永悟明¹、木俣　基^{4、5（研究当时）}、丹田　聡^{3、6、7、8}（¹北海道大学大学院理学研究院、²北海道大学大学院理学院、³北海道大学量子トポロジー理工学教育研究センター、⁴日本原子力研究开発机构、⁵东北大学金属材料研究所、⁶北海道大学大学院工学研究院、⁷北海道大学电子科学研究所、⁸北海道大学名誉教授）
掲載誌：Physical Review Letters（物理学の専門誌）
顿翱滨：

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