非平衡超伝導状態の物理：光励起と高速応答素子への展望
はじめに
超伝導状態は、ある臨界温度以下で電気抵抗がゼロになるというマクロスコピックな量子現象であり、平衡状態における特性が主に研究されてきました。しかし、外部からの摂動、特に光照射や電流注入などによって引き起こされる非平衡状態における超伝導体の振る舞いは、基礎物理として極めて興味深いだけでなく、テラヘルツ波検出器や超高速スイッチング素子といった革新的な応用技術の基盤となり得ます。リニアモーターカーのような平衡状態の電気輸送現象に立脚した超伝導応用とは異なり、非平衡超伝導は超伝導体のダイナミクスや準粒子の挙動を積極的に利用する点が特徴です。本稿では、この非平衡超伝導状態、特に光励起によって誘起される現象に焦点を当て、その物理的な仕組み、実験的な観測手法、そして高速応答素子への応用展望について深掘りします。
非平衡超伝導状態の物理的起源
平衡状態にある超伝導体は、クーパー対と呼ばれる電子対の凝縮によって特徴づけられます。外部からのエネルギー入力がない限り、この凝縮相は安定に存在します。しかし、光（特にフォトンエネルギーが超伝導ギャップの2倍を超える場合）や高エネルギー粒子の入射、あるいは大きな電流密度やトンネル注入といった非平衡化の要因が加わると、クーパー対が破壊され、準粒子が生成されます。
光励起の場合、フォトンは格子や電子系にエネルギーを与えます。このエネルギーがクーパー対の結合エネルギー ($2\Delta$) を超えると、クーパー対は破壊され、2つの準粒子が生成されます。生成された準粒子は系内で散乱を繰り返し、エネルギー緩和を起こします。この準粒子の生成・緩和プロセスは、超伝導体の秩序変数（超伝導ギャップ $\Delta$）を減少させ、マクロスコピックな物性に変化をもたらします。
非平衡状態の特徴は、準粒子の分布関数が平衡状態のフェルミ分布から大きく乖離することです。準粒子が生成された直後は、比較的高エネルギーの準粒子が多く存在しますが、フォノン放出などの過程を通じて低エネルギー状態へと緩和していきます。同時に、緩和した準粒子は再び対を形成してクーパー対に戻る過程も進行します。これらの過程のバランスによって、非平衡状態における準粒子の数密度やエネルギー分布、ひいては超伝導ギャップや臨界電流といった超伝導特性が決定されます。
準粒子のダイナミクスと理論的記述
非平衡超伝導状態のダイナミクスを理解するには、準粒子の生成、緩和、再結合の過程を定量的に記述する必要があります。このための理論的枠組みとしては、クーパー対と準粒子の数を記述するレート方程式（例えば、カプラン-リッデル方程式やその拡張）や、準粒子の分布関数の時間発展を追跡するボルツマン方程式が用いられます。より厳密には、非平衡グリーン関数法に基づいたエリャーシベルク方程式の拡張（時間依存エリャーシベルク方程式）が、秩序変数と準粒子分布の自己無撞着な記述を可能にします。
光励起の場合、フォトン吸収によって生じた準粒子のエネルギー緩和過程は、フォノンとの相互作用が支配的です。特に、準粒子のエネルギーがデバイエネルギー程度よりも大きい場合、光学フォノン放出が支配的となり高速な緩和が起こります。エネルギーが小さくなると、音響フォノンとの相互作用が重要になります。準粒子が超伝導ギャップのすぐ上のエネルギー準位まで緩和した後、2つの準粒子がフォノンを放出してクーパー対を再形成します。この準粒子再結合時間は、超伝導体固有のパラメータであり、超伝導ギャップやフォノンスペクトルに依存しますが、低T$_{\text{c}}$超伝導体ではナノ秒からマイクロ秒、高温超伝導体ではピコ秒オーダーとなることがあります。
光励起によって、超伝導ギャップが一時的に抑制される現象は、ポンプ-プローブ分光法などによって実験的に観測されています。特に、コヒーレントな光パルスを用いた実験では、フォノンや準粒子のコヒーレントなダイナミクスが観測されることもあり、非平衡状態におけるマクロスコピックな量子現象として注目されています。また、一部の材料系では、定常的な光照射によって超伝導転移温度が上昇する、いわゆる光誘起超伝導増強現象も報告されており、これも非平衡状態の興味深い側面です。
高速応答素子への応用
非平衡超伝導体のダイナミクス、特に超高速な準粒子生成・緩和・再結合プロセスは、高感度かつ高速な検出器やスイッチング素子の実現に利用されています。
超伝導検出器 (TES, MKID)
極低温宇宙観測や高エネルギー物理実験などで用いられる高感度検出器として、超伝導遷移端検出器 (Transition Edge Sensor, TES) やマイクロ波キネティックインダクタンス検出器 (Microwave Kinetic Inductance Detector, MKID) があります。これらは、入射したフォトンや粒子が超伝導体を励起し、準粒子を生成することによって生じる超伝導ギャップの変化や準粒子数の増加を検出原理としています。
- TES: 超伝導体の抵抗が急峻に変化する転移端にバイアスをかけ、入射エネルギーによって生じる抵抗変化を高感度に検出します。エネルギー分解能が非常に高いことが特徴です。
- MKID: 共振回路の一部に超伝導体を使用し、入射エネルギーによる準粒子生成が超伝導体のキネティックインダクタンスを変化させることを利用して共振周波数やQ値の変化を検出します。テラヘルツ波からX線まで幅広いエネルギーのフォトンを高感度に検出でき、多画素アレイ化が比較的容易であるという利点があります。MKIDの応答速度は主に準粒子の再結合時間によって制限されますが、材料や構造の工夫によりマイクロ秒以下の応答が実現されています。
高速スイッチング素子
準粒子の生成・消滅ダイナミクスを利用して、超伝導状態と常伝導状態の間を高速にスイッチングさせる研究も行われています。例えば、クーパー対注入型デバイス（CDL - Cooper-pair Diffusion Length deviceなど）は、超伝導体に電流を注入することで準粒子数を増加させ、超伝導を抑制することでスイッチング動作を行います。また、超短パルスレーザーを用いた光スイッチングも検討されています。これらの素子は、超伝導エレクトロニクスにおける高速ロジック回路やメモリ素子としての可能性を秘めていますが、実用化には課題も残されています。
最新の研究動向と課題
非平衡超伝導の研究は現在も活発に行われています。特に、新しい超伝導材料系、例えばトポロジカル超伝導候補物質や低次元超伝導体（単層原子シート、界面超伝導など）における非平衡応答は、平衡状態では見られない興味深い物理現象を示す可能性があり注目されています。マジック角グラフェンにおける相転移ダイナミクスなども、関連する研究分野と言えます。
また、テラヘルツ光源や検出器への応用は、分光やイメージングといった様々な分野で新しい可能性を切り拓いています。応答速度、ダイナミックレンジ、集積化といった技術的な課題に加え、非平衡状態における超伝導機構そのものに関する基礎的な理解の深化も引き続き重要です。例えば、強い非平衡状態における秩序変数の振る舞いや、準粒子分布がクーパー対形成に与える影響など、未解明な点も多く存在します。
まとめ
非平衡超伝導状態は、光励起をはじめとする様々な外部摂動によって誘起される、超伝導体の動的な側面を浮き彫りにする分野です。準粒子の生成、緩和、再結合といったミクロな過程がマクロな超伝導特性に影響を与え、このダイナミクスを制御・利用することで、超高感度検出器や超高速スイッチング素子といった革新的な技術が生まれています。基礎研究においては、新しい材料系での非平衡現象の探索や、強い非平衡下での超伝導機構の解明が進められています。リニアモーターカーに代表される平衡超伝導の応用とは異なる物理を基盤とする非平衡超伝導技術は、超伝導研究の新しいフロンティアとして、今後ますますその重要性を増していくと考えられます。