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理研、パルス電流で超電導状態の制御に成功超電導不揮発メモリ機能を実証

理化学研究所(理研)の研究チームは、パルス電流を用いて「超電導状態」の生成と消去に成功した。書き換え可能な超電導量子コンピュータ向け回路の実現につながる可能性が高い。

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書き換え可能な超電導量子コンピュータ向け回路も可能に

 理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター動的創発物性研究ユニットの大池広志特別研究員(研究当時)、賀川史敬ユニットリーダーらの研究チームは2018年10月、パルス電流を用いて「超電導状態」の生成と消去に成功したと発表した。超電導制御の新しい原理を実証したことで、書き換え可能な超電導量子コンピュータ向け回路の実現につながる可能性が高い。

 これまで、超電導状態を示す新物質の探索には、対象物質の化学組成や圧力を変化させる「平衡熱力学」の原理が主に用いられてきた。しかし、この方法だと安定した状態になる物質が限られていたという。

 研究チームは今回、鉄鋼の硬さが冷却方法によって異なることに着目し、急速冷却による電子集団の状態制御を行った。そこでまず、平衡熱力学の枠組みを超えた超電導生成法の実証に向けて、対象となる物質を選定した。この時、2つの基準を設けたという。

 1つが、低温では電子が規則正しく配列した「競合秩序」と呼ばれる状態であるが、圧力や化学組成の変化によって競合秩序がなくなり、超電導状態を発現する物質であること。もう1つは、ある温度域で競合秩序が急激に形成されることである。この温度領域を急速冷却によって短時間に通過させれば、競合秩序が形成されず低温に到達する。この結果、低温で超電導状態が生成されるという。


急速冷却による超電導生成法 出典:理研

 次に、これらの基準を満たす物質の1つである「IrTe2」を用い、極低温環境で実験を行った。IrTe2の薄片試料にパルス電流を印加すると、試料の温度は2.4K(約−270.8℃)から400K(約126.8℃)まで、瞬時に上昇した。ところが、パルス電流が終了すると、試料の熱は秒速1000万Kを上回る速さで2.4Kに冷却されることが分かった。

 また、パルス電流を印加する前は、試料の電気抵抗率値が有限であった。しかし、印加後はそれが「ゼロ」となり超電導状態になることが判明した。これらの実験結果から、従来とは異なる方法で超電導状態を生成できることを実証した。


実験手法の概略 出典:理研

 続いて、今回の超電導生成法を用いて、IrTe2が持つ新たな機能性についても検証した。急速冷却で超電導状態を生成した後、急速冷却に用いたパルス電流より小さい電流(低い強度)で長い時間印加し、試料温度を50K(約−223.2℃)から280K(約6.8℃)の間に保つと、競合秩序が形成された。パルス電流の終了後は、2.4Kまで試料が冷却されたが、電気抵抗率は有限値となり、競合秩序の形成によって超電導状態が消去された。

 これらの実験から、2種類のパルス電流で、超電導状態の生成と消去を繰り返し発現させることに成功した。しかも、パルス電流は、超電導状態を検出するための回路を用いて印加できるという。これらの成果により、「超電導−非超電導状態を不揮発的に書き換えるメモリ機能(超電導不揮発メモリ機能)」を実証した。


超電導不揮発メモリの動作実証 出典:理研

 研究チームは今回の研究成果について、超電導不揮発メモリ機能の実現可能性を示すと同時に、「超電導探索の新たな切り口にもなる」とみている。

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