山下卓也 理学研究科博士後期課程学生、住吉浩明 同学生、松田祐司 同教授、芝内孝禎 東京大学新領域創成科学研究科教授（京都大学理学研究科客員教授）、藤本聡 大阪大学基礎工学研究科教授は、芳賀芳範 日本原子力研究開発機構原子力科学研究開発部門先端基礎研究センター研究主幹らと共同で、ある種のウラン化合物超伝導体では、熱磁気効果がこれまでの超伝導体よりも桁違いに大きくなることを発見しました。このような新しいメカニズムに基づく熱磁気効果が観測されたことにより、新奇超伝導ゆらぎを基盤とした熱電変換材料への応用の可能性が示唆されます。
本研究成果は、2014年12月1日（英国時間）付け、英国科学誌「Nature Physics」の電子速報版に掲載されました。
研究者からのコメント
左から山下博士课程学生、住吉同学生
超伝导の前駆现象である超伝导ゆらぎは、长年、精力的に研究されてきました。今回、理论物理学を専攻している大学院生が、トポロジーに関连した新しいタイプの超伝导ゆらぎを提案し、热磁気効果により検出可能であると予言しました。そして、物理学教室の実験グループによって、実际に検出されました。この热磁気効果は、従来の超伝导体を良く説明するゆらぎの理论から得られる値よりも、100万倍近い大きさをもつことが见い出されました。
ポイント
- 磁场中で縦方向の温度差を横方向の电圧に変换する机能である「热磁気効果」は、超伝导体の転移温度以上で観测されるが、既往研究ではその効果は小さい。
- ウラン化合物の超伝导物质において、従来の理论値に比べ100万倍にも达する巨大な热磁気効果を観测した。
- この巨大热磁気効果のメカニズムは、この物质における新奇な超伝导に関连した新しいタイプの超伝导ゆらぎに由来する。
概要
ある种の物质を冷やしていくと、低温で二つの电子がペア（クーパー対）を组み、抵抗がゼロとなる超伝导状态が実现します。しかし、超伝导転移温度以下でのみこのペアが形成されるわけではなく、転移温度より少し高い温度でも、热ゆらぎの効果によりこのペアは形成されます。この热ゆらぎによるペアは、泡のように生成?消灭を繰り返し、その结果、超伝导状态の前兆ともいえる「超伝导ゆらぎ」が発现します。この超伝导ゆらぎは、さまざまな物理量に影响を与えます。特に磁场中の热电変换効果の一种である热磁気効果（ネルンスト効果）は、超伝导ゆらぎの性质を调べる上で重要な物理量として知られています。ところが、通常の超伝导体では、この热磁気効果の大きさ自体はあまり大きなものではなく、热电変换材料としてはあまり注目されていませんでした。
そこで本研究では、ウラン化合物超伝导体鲍搁耻 2 Si 2 の超纯良试料を用い、超伝导ゆらぎに起因した热磁気効果を精密に测定しました。その结果、试料の纯良性が増すほど、超伝导ゆらぎの効果は热磁気効果に顕着にあらわれました。これは、超伝导体においてこれまで観测された実験结果と定性的に异なっています。さらに、热磁気効果の大きさは、従来の超伝导体を良く説明するゆらぎの理论から予想される値の100万倍に达することもわかりました。鲍搁耻 2 Si 2 の超伝导では、クーパー対を形成する二つの电子が、互いの周りを右回り、または左回りのどちらか一方向に回転している新奇な超伝导状态が実现していると考えられています。このような超伝导体はカイラル超伝导体と呼ばれており、そのクーパー対は従来の超伝导体にはない新奇な几何学的构造を持ちます。このようなカイラル超伝导体では、超伝导の泡の表面を流れるペア电子によって、伝导电子が散乱されます（図）。この散乱过程に基づいた新しい理论によって、本実験结果は定量的に説明されることが明らかになりました。
热磁気効果を引き起こす新しい机构の概念図
左右に温度差をつけて左から右に热流を流し、纸面に垂直に磁场をかけたときに上下に电圧が発生する。超伝导の泡（超伝导ゆらぎ）の表面を流れるペア电子によって伝导电子が散乱される。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Haga, T. D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Sumiyoshi, S. Fujimoto, A. Levchenko, T. Shibauchi and Y. Matsuda
"Colossal thermomagnetic response in the exotic superconductor URu 2 Si 2 "
Nature Physics Published online 01 December 2014
