強磁性体/超伝導体ヘテロ構造における近接効果を通じたスピン流輸送とペアリング改変
はじめに：超伝導と強磁性の交差領域
超伝導と強磁性という、凝縮系物理学における二つの主要な秩序状態は、それぞれ電子系の異なる集団的振る舞いを反映しています。超伝導は電荷を持った電子がクーパー対を形成し、電気抵抗ゼロで電流を流す現象であり、スピンシングレット対（トータルスピン $S=0$）が基本的な要素となることが多いです。一方、強磁性は電子スピンが一方向に整列することで生じる現象です。これらの秩序は、一般的に相互に反発すると考えられています。例えば、磁場はクーパー対を破壊する傾向があり、超伝導体に強磁性不純物を導入すると超伝導転移温度が低下します。
しかし、超伝導体と強磁性体を空間的に近接させたヘテロ構造では、両者の相互作用によって興味深い物理現象が発現します。特に、超伝導体と常伝導体（N）の界面で生じる超伝導近接効果（SNS効果）がN層にクーパー対を誘起するように、強磁性体（F）と超伝導体（S）の界面では、SからFへのクーパー対の「侵入」や、FからSへのスピン偏極した電子の注入といった相互作用が生じます。これらの相互作用は、従来の超伝導体単独では見られないような、非自明なスピン流輸送現象や、クーパーペアリング状態の改変を引き起こします。本稿では、このような強磁性体/超伝導体ヘテロ構造における近接効果に焦点を当て、その基礎物理、具体的な材料系での観測例、そして応用への展望について掘り下げて解説いたします。
F/Sヘテロ構造における超伝導近接効果の特異性
通常のS/Nヘテロ構造における近接効果では、S層からN層に侵入したクーパー対はスピンシングレット ($S=0, S_z=0$) の状態で、N層中の散乱によって位相緩和を受けながら指数関数的にその確率密度が減少します。このクーパー対の侵入距離は通常、N層の電子散乱長や位相緩和長で決まります。
F/Sヘテロ構造の場合、F層内部には大きな内部磁場（交換相互作用による）が存在します。S層からF層に侵入したスピンシングレットクーパー対は、この内部磁場によって対を構成する二つの電子スピンが逆向きに分極されようとします。しかし、強磁性体中の電子は既にスピン偏極しているため、シングレット対はF層中で強く散乱され、そのペアリング確率はF層の電子スピン分極長（通常ナノメートルスケール）よりもはるかに短い距離で急激に減少します。これは、F層がスピンシングレット対に対して非常に強い「破壊力」を持つことを意味します。
一方で、F層内部では、スピンシングレット対が交換相互作用の影響を受けて、スピン三重項対 ($S=1, S_z=\pm 1, 0$) に「変換」される可能性が理論的に予測され、実験的にもその証拠が見つかっています。特に、F層内部に磁化の空間的な非一様性（例：磁壁、スピンの捩れ）が存在する場合や、界面でのスピン軌道相互作用が強い場合に、このスピン三重項対の生成が促進されると考えられています。スピン三重項対のうち、$S_z = \pm 1$ 成分を持つものは、F層の内部磁場に対して相対的に安定であり、F層中をより長い距離（スピン三重項ペアリング長）伝搬できると予測されています。このスピン三重項ペアリングの誘起は、F/Sヘテロ構造における近接効果の最も重要な特徴の一つであり、従来の超伝導では見られない新しい現象の源泉となります。
スピン依存輸送現象と超伝導の関わり
F/Sヘテロ構造では、超伝導状態と強磁性体のスピン秩序が相互に影響し合い、様々なスピン依存輸送現象が観測されます。
スピンバルブ効果
F/S/F三層構造などにおいて、両端のF層の磁化方向を平行(P)または反平行(AP)に配向させることで、構造を流れる電流の大きさが変化する現象です。超伝導状態では、クーパー対の伝搬がF層のスピン偏極に依存するため、AP配置でスピンシングレット対の破壊が抑制されたり、スピン三重項対の生成が促進されたりすることで、P配置よりも大きな超伝導電流（ジョセフソン電流）が流れるといったスピン超伝導バルブ効果が観測されています。これは、超伝導スピントロニクスの基本的な構成要素として注目されています。
スピンポンプ効果と超伝導
強磁性体にマイクロ波などを照射し、磁化ダイナミクス（歳差運動）を誘起すると、そこからスピン流が周囲の非磁性層にポンプされます。このスピン流がS層に注入された場合、超伝導状態やジョセフソン効果に影響を与えることが理論的・実験的に示されています。例えば、F/Sヘテロ構造におけるFMR励起によるスピンポンプ効果は、超伝導電流に対するスピン流の影響を調べる有力な手法となっています。逆に、超伝導体から強磁性体へのスピン注入が、強磁性体の磁化ダイナミクスを操作する可能性も探られています。
非相反輸送現象
F/Sヘテロ構造や、空間反転対称性の破れた超伝導体とF層の組み合わせなどでは、電流の向きによって電気抵抗や超伝導特性が異なる非相反輸送現象が観測されることがあります。これは、ラシュバ型スピン軌道相互作用やF層の交換磁場と界面構造が複合的に作用することで生じる現象であり、新しいタイプのダイオードやスイッチング素子への応用が期待されています。
材料系と実験手法
これらの現象を研究するためには、高品質なF/Sヘテロ構造を形成する技術が不可欠です。超高真空成膜技術（分子線エピタキシー(MBE)やスパッタリング）を用いて、清浄な界面を持つ薄膜構造を作製することが重要です。
代表的な材料系の組み合わせとしては、NbやAlなどの低温超伝導体と、Permalloy (NiFe)やCoFeBなどの強磁性金属の組み合わせが広く研究されています。また、高温超伝導体（例：YBa$2$Cu$_3$O${7-\delta}$）と強磁性酸化物（例：La${0.7}$Sr${0.3}$MnO$_3$）の組み合わせも、その特異な物性から注目されています。近年では、新しい材料系としてトポロジカル物質と強磁性体・超伝導体の組み合わせや、ファンデルワールスヘテロ構造におけるF/S界面なども研究対象となっています。
実験手法としては、電気抵抗測定、磁化測定、ジョセフソン接合の特性評価などの輸送測定が基本となります。加えて、スピン偏極電子顕微鏡、スピン分解走査トンネル顕微鏡(SP-STM)、スピン分解角度分解光電子分光(SP-ARPES)などの表面・界面に敏感な手法、さらにはX線磁気円二色性(XMCD)や共鳴X線散乱、中性子散乱といった局所的な電子状態やスピン構造を調べる手法が用いられています。前述のスピンポンプ効果の測定には、強磁性共鳴(FMR)と電気抵抗測定やジョセフソン効果測定を組み合わせた手法が有効です。
最新の研究動向と今後の展望
近年のF/Sヘテロ構造に関する研究は、スピン三重項超伝導状態の明確な実験的証拠の確立、非共線的な磁気構造を持つF層との組み合わせ、そして超伝導とトMIとの融合による新しい機能探索に焦点が当てられています。
特に、スピン三重項超伝導体は、非可換統計に従うマヨラナ粒子をホストする可能性が指摘されており、トポロジカル量子計算の実現に向けた基盤技術として大きな注目を集めています。F/Sヘテロ構造におけるスピン三重項ペアリングの誘起は、従来のスピンシングレット超伝導体からトポロジカルな状態を創り出す道筋を提供する可能性があり、活発な研究が進められています。
また、F/S界面におけるスピン流と電荷流の相互変換（スピン軌道トルク、逆スピンホール効果など）を超伝導状態下でどのように制御・増強できるか、あるいは逆に超伝導状態がこれらの現象にどのような影響を与えるか、といった研究も進展しており、超伝導スピントロニクスの分野を切り拓いています。低温動作可能な高効率・低消費電力スピントロニクスデバイスや、高感度な磁場センサー、テラヘルツ素子などへの応用が将来的に期待されます。
F/Sヘテロ構造の研究は、超伝導、強磁性、スピントロニクス、そしてトポロジカル物理学といった複数の分野が交錯する非常に豊かな研究領域です。界面における複雑な相互作用の理解はまだ途上にあり、新しい材料系や高度な実験手法の開発とともに、基礎物理の深化と革新的な応用技術の創出が今後も進められていくことでしょう。
まとめ
本稿では、リニア以外の超伝導技術の一つとして、強磁性体/超伝導体ヘテロ構造における近接効果に焦点を当て、その物理的メカニズム、スピン依存輸送現象、関連する材料系と実験手法、そして最新の研究動向と展望について概説しました。F/S界面で生じるスピンシングレット対の強い抑制とスピン三重項対の誘起は、従来の超伝導物理に新たな視点をもたらし、超伝導スピントロニクスやトポロジカル超伝導といったフロンティア分野を牽引する重要な研究テーマとなっています。今後もこの分野におけるブレークスルーが、超伝導技術の応用範囲を大きく広げることが期待されます。