人工超格子・ヘテロ構造における超伝導性の創発メカニズムとその機能制御
はじめに
超伝導は、特定の材料を臨界温度以下に冷却した際に電気抵抗がゼロとなり、外部磁場を完全に排除する（マイスナー効果）現象です。この驚異的な物性は、リニアモーターカーのような輸送システムだけでなく、MRI装置、電力伝送、さらには量子コンピュータに至るまで、多岐にわたる応用が期待されています。しかし、その応用範囲を広げるためには、より高い臨界温度や、特定の条件下で望ましい超伝導特性を示す材料の開発が不可欠です。
近年、単体材料の探索に加え、複数の異なる材料を原子層レベルで積層・配列した人工超格子やヘテロ構造を用いることで、単体では実現し得ない、あるいは異なる超伝導特性を創発・制御する研究が活発に行われています。これは、界面における電子状態の変調や、人工構造に由来する新たな量子効果を利用するアプローチであり、凝縮系物理学、材料科学、そしてデバイス物理学の境界領域における重要な研究テーマとなっています。本記事では、この「リニア以外の知られざる超伝導技術」の一つとして、人工超格子・ヘテロ構造における超伝導性の創発メカニズム、具体的な材料系と研究例、そしてその機能制御の可能性について、専門的な視点から深く掘り下げていきます。
人工超格子・ヘテロ構造による超伝導性の創発メカニズム
人工超格子とは、二種類以上の異なる材料薄膜を周期的に積層した構造体を指します。一方、ヘテロ構造は、単一の界面、あるいは数層の積層構造を持つものを広く指します。これらの構造では、バルク材料には存在しない特異な物理現象が界面や超格子周期に沿って発生します。超伝導性の観点からは、主に以下のようなメカニズムを通じて超伝導が創発されたり、その特性が変調されたりします。
- 界面での電荷移動とキャリア密度変調: 異なる材料を接合すると、それぞれの材料のフェルミエネルギーや仕事関数の違いにより、界面で電荷の移動や再配分が生じます。これにより、界面近傍のキャリア密度がバルクとは異なる値となり、超伝導に関わる電子状態が変化し、超伝導が誘起されたり、臨界温度が上昇・下降したりすることがあります。例えば、絶縁体同士の界面で超伝導が発現するLaAlO₃/SrTiO₃界面はその代表例です。
- 格子歪み効果: 異なる格子定数を持つ材料を積層すると、界面において格子不整合による歪みが発生します。この歪みは、材料の電子バンド構造やフェルミ面形状を変化させ、電子間の相互作用やフォノン状態に影響を与えることで、超伝導のペアリング機構や転移温度に大きな影響を及ぼす可能性があります。
- 次元性低下と量子閉じ込め効果: 薄膜や界面近傍では、電子の運動が二次元的あるいは一次元的に制限されることがあります。このような次元性の低下は、量子閉じ込め効果をもたらし、電子状態密度を変化させたり、低次元系特有の強い電子相関を顕在化させたりします。これにより、バルクとは異なる非従来型の超伝導ペアリングが出現する可能性が指摘されています。
- 界面における新しい電子相関の出現: 異なる物質の界面では、単体では存在しない新しい電子相関が生まれることがあります。例えば、金属と絶縁体の界面、超伝導体と磁性体の界面などでは、界面準位の形成やスピン・電荷の相互作用を通じて、超伝導と他の秩序（磁性、電荷秩序など）が共存あるいは競合する状態が実現し、非従来型超伝導状態や新しい超伝導ペアリング（例：スピン三重項ペアリング）が誘起される可能性が理論的・実験的に探られています。
- 近接効果: 超伝導体と常伝導体、絶縁体、あるいは強磁性体などの他の物質を接合すると、超伝導秩序が界面を越えて非超伝導体側にも染み出す「超伝導近接効果」が生じます。この効果を利用することで、非超伝導体を人工的に超伝導化させたり、界面の磁性などが超伝導ペアに影響を与え、新しいタイプの超伝導状態（例：π相ジョセフソン接合、トポロジカル超伝導候補状態）を実現したりすることが可能です。
具体的な材料系と研究例
人工超格子・ヘテロ構造における超伝導研究は、多種多様な材料系で行われています。いくつか代表的な例を挙げます。
- 酸化物ヘテロ構造: SrTiO₃などのバンド絶縁体基板上にLaAlO₃のような極性のある絶縁体薄膜を成長させると、界面に二次元電子ガスが形成され、超伝導を示すことが発見されました。このLaAlO₃/SrTiO₃界面超伝導は、結晶歪み、酸素欠損、界面極性緩和など、複数のメカニズムが複雑に関与していると考えられており、基礎物性研究の重要な舞台となっています。また、銅酸化物高温超伝導体と他の酸化物を積層することで、T_cや異方性を制御する試みも行われています。
- 遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)ヘテロ構造/ファンデルワールス超格子: MoS₂, WS₂, NbSe₂などの二次元物質であるTMDCやその他のファンデルワールス物質は、層間を弱いファンデルワールス力で結合しているため、様々な組み合わせで容易に積層し、新しいファンデルワールス超格子を作製できます。TMDCの中には超伝導を示すもの（例: NbSe₂, TaS₂など）があり、これらを他のTMDCやグラフェン、h-BNなどと組み合わせることで、インターカレーションによるキャリアドーピング、層間相互作用による電子状態変化などを通じて、超伝導特性を変調・制御する研究が進められています。
- トポロジカル物質と超伝導体のヘテロ構造: Bi₂Se₃のようなトポロジカル絶縁体と超伝導体を接合することで、界面にトポロジカル超伝導状態が実現し、マヨラナフェルミ粒子（自己共役なフェルミ粒子）が出現する可能性が理論的に予測され、活発な探索が進められています。これは量子コンピュータの構成要素として期待されるマヨラナ粒子の実現に向けた重要なアプローチの一つです。
- 強磁性体/超伝導体ヘテロ構造: 強磁性体はクーパー対を破壊する傾向がありますが、特定の界面構造や強磁性体のタイプによっては、スピン三重項状態のクーパー対が誘起され、界面近傍に長距離スピン三重項超伝導が生じることが報告されています。これは、スピン流を用いた超伝導スピントロニクスや、非従来型超伝導の研究において重要なテーマです。
試料作製と評価手法
人工超格子・ヘテロ構造は、原子層レベルの精度での積層が要求されるため、分子線エピタキシー(MBE)やパルスレーザー堆積法(PLD)といった高度な薄膜成長技術が用いられます。これらの手法を用いることで、結晶構造、界面の整合性、膜厚、組成などを精密に制御することが可能となります。
作製された試料の評価には、バルク材料と同様の電気伝導度測定、磁化率測定、比熱測定などに加え、界面や薄膜特有の物性を調べるための手法が重要となります。例えば、角度分解光電子分光(ARPES)は、薄膜や界面における電子バンド構造やフェルミ面を直接的に観測する強力なツールです。走査型トンネル顕微鏡/分光(STM/STS)は、実空間での局所的な電子状態や超伝導ギャップを原子分解能で評価することが可能です。また、X線回折や透過型電子顕微鏡(TEM)は、積層構造の周期性、結晶性、界面構造を評価するために不可欠です。
機能制御の可能性と展望
人工超格子・ヘテロ構造研究の大きな魅力は、単に超伝導を「創る」だけでなく、その特性を「制御する」自由度が高い点にあります。積層する材料の種類、膜厚、周期、界面構造、導入する歪みの種類などを変えることで、以下のような機能制御の可能性があります。
- 臨界温度(T_c)の変調: 界面でのキャリアドーピングや歪みを調整することで、T_cを向上させたり、特定の温度領域で超伝導を発現させたりすることが可能です。
- 異方性の制御: 意図的に積層方向と面内方向で異なる相互作用を持つ構造を作製することで、超伝導の異方性（例: 臨界磁場や臨界電流密度の方向依存性）を制御できます。
- 新しい超伝導相の誘起: スピン三重項超伝導やトポロジカル超伝導など、バルクでは実現困難な非従来型超伝導相を界面や構造異方性によって誘起することが期待されています。
- 臨界電流密度(J_c)の向上: ピン止め効果を利用するために、非超伝導相のナノ構造を意図的に導入した超格子構造を作製することで、超伝導体の電流容量を高める研究が行われています。
- デバイス応用: 超伝導体/非超伝導体のヘテロ構造は、超伝導量子干渉素子(SQUID)やジョセフソン接合といった超伝導エレクトロニクスデバイスの基本的な構成要素です。人工構造によってこれらの接合特性を精密に制御したり、新しい機能を持つ超伝導デバイス（例: 界面を利用した超伝導トランジスタ、マヨラナ素子）を開発したりする研究が進んでいます。
まとめ
人工超格子・ヘテロ構造における超伝導研究は、単体材料の限界を超え、新しい機能を持つ超伝導物質を創出するための強力なアプローチを提供します。界面における電荷移動、格子歪み、次元性低下、新しい電子相関の出現、近接効果など、多様なメカニズムが複雑に絡み合い、バルクとは全く異なる超伝導特性が創発されます。LaAlO₃/SrTiO₃界面超伝導やファンデルワールス超格子、トポロジカル物質とのヘテロ構造といった具体的な研究例は、この分野の広がりと奥深さを示しています。
この分野の進展は、高度な薄膜作製技術と、ARPESやSTM/STSといった界面・薄膜に特化した評価技術に支えられています。将来的には、これらの人工構造の設計と制御を通じて、より高いT_cを持つ超伝導体、スピン情報を用いた超伝導素子、あるいは量子コンピュータに向けたマヨラナ粒子の実現など、革新的な技術へと繋がることが期待されます。人工超格子・ヘテロ構造における超伝導研究は、基礎物理学における新しいペアリング機構の解明とともに、将来の超伝導応用技術の基盤を築く上で、極めて重要な研究領域であると言えます。