不純物に強い非従来型超伝導の実現を確認：新規超伝導体「CsV3Sb5」

[半田翔希，EE Times Japan]

　東京大学、東北大学、カリフォルニア大学、エコール・ポリテクニークは2023年2月14日、共同で二次元カゴメ格子構造を持つ新規超伝導体「CsV₃Sb₅」において、不純物に強い非従来型超伝導の実現を明らかにしたと発表した。

　同研究では、不純物量を系統的に変えた実験により、同カゴメ格子物質の超伝導が、超伝導転移温度より高温で現れるボンド秩序（電荷秩序）の揺らぎによって生じていることを示した。これにより、今後カゴメ格子物質で期待される特異な電子状態や超伝導状態を理解する上で重要な知見になることが期待される。

カゴメ格子超伝導体「CsV₃Sb₅」で実現するボンド揺らぎによる新規超伝導状態［クリックで拡大］ 出所：東京大学／東北大学

　磁性や超伝導などの多彩な物理現象を探索する上で、物質が持つ結晶構造の対称性に注目されていて、カゴメ格子は、2020年にカゴメ格子構造を持つCsV₃Sb₅において超伝導が発見されたこともあり期待が高まっていた。

　カゴメ格子は、結晶を構成する原子が三角形と六角形のパターンからなる「籠目」（籠の網の目の模様）状に配列されている状態を意味する。カゴメ格子構造を持つ金属物質では、幾何学的な性質によって、非従来型超伝導やトポロジカル物性などのさまざまな新規物性が期待されている。一方で、多くの場合ではカゴメ格子構造を持つ物質は絶縁体であった。

　先行研究では、二次元カゴメ格子構造を持つ新規超伝導体CsV₃Sb₅は、超伝導転移温度より高温では電子の飛び移りやすさがある特定のパターンをもつボンド秩序と呼ばれる状態が発現し、圧力を加えると超伝導転移温度が増強されるなどの特異な性質が多数報告されている。一方で、同物質の超伝導発現機構およびボンド秩序との関連性は明らかになっていなかった。

CsV₃Sb₅ におけるボンド秩序の形成パターン［クリックで拡大］ 出所：東京大学／東北大学

　同研究グループは、CsV₃Sb₅では超伝導の標準理論であるBCS理論で期待される超伝導転移温度よりもはるかに高い転移温度を示すため、何らかの非従来型機構により超伝導が実現していると想定。不純物が超伝導状態に与える影響（不純物効果）に注目した。

　物質中への非磁性不純物の導入には、高エネルギーの電子線を試料に照射することで不純物量を制御できる電子線照射と呼ばれる手法を用いた。同グループは、不純物量を制御したCsV₃Sb₅単結晶試料に対し、常圧および高圧下での電気抵抗測定から超伝導転移温度の変化を調べた。さらに、超伝導ギャップ構造を反映する磁場侵入長と呼ばれる物理量の温度依存性を測定することで、不純物が超伝導ギャップ構造に与える影響を確認した。その結果、CsV₃Sb₅の超伝導転移温度は不純物量が少ない領域で大きく抑制される一方で、その後は不純物量を増やしても転移温度がほとんど抑制されないことが分かった。

不純物によるCsV₃Sb₅の超伝導転移温度と超伝導ギャップ構造の変化［クリックで拡大］ 出所：東京大学／東北大学

　このような不純物応答は、従来型の BCS 超伝導体や非従来型の銅酸化物高温超伝導体で見られる応答とは異なっている。また、磁場侵入長測定の結果から、超伝導ギャップが異方的な構造を有していることも確認された。この結果は、格子揺らぎではなくボンド揺らぎによる超伝導において理論的に期待される振る舞いとよく一致していて、CsV₃Sb₅では、非従来型であるにも関わらず、不純物に強い超伝導状態が実現していることが明らかになった。