2013年2月15日
米澤進吾 理学研究科助教、梶川知宏 同修士課程学生、前野悦輝 同教授らの研究グループは、ルテニウム酸化物の超伝導状態が磁場によって壊されて通常の金属状態に変わる際の相転移を研究し、この相転移が、水が氷になる場合と同じような一次相転移になっていることを初めて明らかにしました。つまり、通常の超伝導体の場合とは全く様相が異なった、急激な超伝導の壊れ方をしていることが判明しました。この発見は、これまで見落とされていた未知の相互作用が磁場と超伝導の間に働いているということを強く示唆しています。この成果は、今後の超伝導の基礎研究において重要な意味を持っているだけでなく、超伝導の導電線などへの応用に関しても有用な指針を与えると考えられます。
本研究成果は、アメリカ物理学会の発行するPhysical Review Letters誌の110巻7号（2013年2月15日発行）に掲載されました。
背景
超伝导とは、「物质を冷やしていくとある温度以下で电気抵抗が完全にゼロになる现象」で、すでに病院での磁気共鸣イメージング（惭搁滨）装置やヒッグス粒子の発见に使われた大型加速器等に応用されています。また、磁気浮上列车や超伝导送电线などのエネルギーロスの格段に少ない次世代インフラや、超伝导の性质を利用した情报素子などへの応用が期待されています。超伝导はほとんどの场合磁场と相性が悪く、ある强さ以上の磁场をかけると超伝导状态は壊されて通常金属状态に戻ってしまいます。磁场によって超伝导が壊されるメカニズムは「磁场と超伝导がどのように影响し合っているか？」という基本的な问题と密接に関係しており、超伝导の基础研究の非常に重要なテーマの一つです。また、より高い磁场中で使える超伝导电线や超伝导磁石を开発するためにも、磁场と超伝导の相互作用メカニズムの理解が不可欠です。
本研究の対象物质であるルテニウム酸化物厂谤2RuO4（図1）は前野教授らが1994年にその超伝导を発见したもので、その后の世界的な研究成果の积み重ねによって「スピン叁重项超伝导体」の最有力候补と考えられています。スピン叁重项超伝导（図2）を実証してその新しい性质を引き出すことは现在の物理学における重要テーマの一つと位置づけられ、盛んに研究が进められています。
図1： ルテニウム酸化物超伝導体Sr2RuO4の结晶构造。ルテニウム（搁耻）と酸素（翱）から成る平面构造が超伝导をはじめとする兴味深い性质に主要な役割をしています。
図2： スピン一重項超伝導状態（左）とスピン三重項超伝導状態（右）を比較した模式図。一つの電子は1／2の大きさのスピンをもっており、上向きと下向きの2種類の場合があり得ます。スピン一重項超伝導では上向きスピンと下向きのスピンをもつ電子が対を組むため、クーパー対の全スピンは打ち消しあってゼロとなり、スピンの自由度は失われてしまいます。一方、スピン三重項超伝導では同じ向きのスピンが対を組むため、対の全スピンは1となります。従って、スピンの自由度の残った超伝導状態という大変に興味深い状況が実現します。
研究手法?成果
研究グループは、ルテニウム酸化物の超伝导状态が磁场によって壊されて通常の金属状态に変わる际の相転移を研究し、絶対温度0.8ケルビン（マイナス272.4度）以下の极低温では、この相転移が水が氷になる场合と同じような一次相転移になっていることを初めて明らかにしました。このことは、二次相転移のみを示す通常の超伝导体とは全く异なったメカニズムで超伝导が壊されていることを意味しています。さらに、これまでに知られている超伝导一次相転移のメカニズムは厂谤2RuO4には当てはまらないと考えられます。即ち、本研究の结果は、これまで见落とされていた未知のメカニズムで超伝导が壊されている、ということを强く示唆しています。
本研究では、本学で作製した厂谤2RuO4の纯良结晶を用い、磁场を変化させたときに试料の温度が変化する「磁気热量効果」を详しく调べることで、相転移が一次相転移になっていることを実証しました。具体的には図3に示すように、一次相転移の特徴であるエントロピーという量の不连続的な変化と潜热が観测できました。さらに、磁场を上昇させたときと下降させたときでの超伝导転移の起こる磁场が异なっており、これは一次相転移の特徴である过冷却现象（または过热现象）が起こっていることを証明しています。
図3： 磁気熱量効果の測定結果の一例。矢印は磁場を変化させた方向を表しています。（a）磁気熱量効果による試料の温度変化。ピークが超伝導－通常金属転移に対応しています。ピークが観測されたことは、転移で潜热が生じ、エントロピーが不連続に変化していることを意味しています。また、ピークの位置が磁場を上げたときと下げたときで異なっていることは、過冷却?過熱が起きていることを意味しています。（b）磁気熱量効果から得られたSr2RuO4のエントロピー。通常金属状态からの変化量として表してあります。二次相転移で期待される振舞い（灰色の点线）とは大きく异なっています。
この研究は、米泽助教らが自作した超高感度の磁気热量効果测定装置（図4）やグループで保有する磁场方向を高精度に制御できる超伝导マグネット装置などの、高度かつ独自性の高い装置を用いることで初めて可能になりました。加えて、结晶の中から、一円玉の5000分の1以下の质量の、これまでにない高品质の部分を丁寧に选定して测定することで、一次相転移の特徴を非常に明确に観测することができました。厂谤2RuO4の超伝导の発见から20年近く経って一次相転移の存在という基本的な事项が初めて明らかになった大きな要因は、これらの実験技术の大幅な进歩です。また、本学では低温物质科学センターによる寒剤（液体ヘリウム）の安定供给を通じた最先端研究のサポート环境が整っており、このことがこの実験の遂行には不可欠でした。
図4： 本研究のために開発した自作の高感度磁気熱量効果測定装置（左）と装置中央部の温度計部分の模式図（右）。温度計とヒーターが低熱伝導線で空中に吊るされており、試料は温度計とヒーターで挟むようにして設置します。非常に小型の温度計とヒーターを用いることで、1ミリグラム以下の微小試料の測定が可能になりました。
成果の意义
この成果は、磁場と超伝導の相互作用という超伝導の理解における基本的な問題を提示しており、今後の基礎研究において重要な意味を持っています。特に、本研究で明らかになった一次相転移の起源を明らかにすることは、スピン叁重项超伝导体の最有力候補であるSr2RuO4の超伝导をより深く理解するために避けては通れない问题になります。それだけでなく、超伝导が磁场によって壊される新たなメカニズムを解明することは、超伝导の导电线などへの応用に関しても有用な指针を与えると考えられます。
本研究は、文部科学省新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」（前野悦輝代表）を始めとする文部科学省および日本学術振興会による科学研究費補助金事業（KAKENHI 22103002, 23540407, 23110715）およびグローバルCOE「普遍性と創発性が紡ぐ次世代物理学」の支援を受けました。
书誌情报
"First-order Superconducting transition of Sr2RuO4"
（厂谤2RuO4における一次の超伝导相転移）
S. Yonezawa, T. Kajikawa, Y. Maeno （京都大学 大学院理学研究科 物理学?宇宙物理学専攻）
Physical Review Letters誌、第110巻7号（2013年2月15日発行）、論文番号077003
[DOI]
摆碍鲍搁贰狈础滨アクセス鲍搁尝闭
- 日刊工業新聞（2月20日 25面）に掲載されました。