共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究では超伝導の磁束量子などの微小磁区構造検出可能なマイクロ～ナノSQUID による局所磁場観測システムの開発と、開発した局所磁場観測システムを用いたSr2RuO4のカイラルエッジ電流の検出等によるカイラルP波スピン三重項超伝導体の実験的な証明の二点を主な目的とした。 本研究ではアルミ、ニオブ、集束イオンビームアシスト蒸着法によるタングステン超伝導薄膜を用いたSQUIDによる局所磁場観測システムを開発した。開発した局所磁場観測法によりマイクロメーターサイズのSr2RuO4試料、穴あき試料、Ru-Sr2RuO4共晶試料の磁気異常について調べたが、カイラルエッジ電流は観測されなかった。

Si基板に作製したトレンチ構造の上にカーボンナノチューブ(CNT)を架橋し、直接NbN超伝導薄膜を形成することによって架橋超伝導ナノワイヤー(scNW)機械共振器を作製した。できる限り高振幅振動を実現させるため、典型的な架橋CNTを用いた共振器に比べて十分長い直線型のscNWの作製に取り組み、直径～100nm、最大長さ～13umの架橋scNWの実現に成功した。予備実験としてscNWの電気抵抗の温度依存性を測定し、約14Kで超伝導転移を起こすことを確認した。アーチ型の架橋scNWの作製も試みたが、CNTをアーチ型に成長させることは成功したものの架橋される確率が低く、作製が非常に高難易度であることがわかった。 超流動ヘリウム中でのscNWの機械共振テストを行うため、冷凍機および配線回路の準備を行った。真鍮製のハーメチックコネクタ付フィードスルーを作製し、冷凍機内に同軸配線を増築した。また、試料台を設計・金属加工作製し、超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子を準備した。これらの振動子は、ヘリウム液面計、配線回路や印加磁場中の動作チェック、および本実験における量子渦生成装置として用いる。液中で生成した渦環がscNWまで到達して検出できるように、各振動子とscNW基板を互いの間隔を微調整して試料台上に配置した。試料を冷凍機で温度1.3K まで冷却し、購入した高周波ロックインアンプを用いて真空中および液体ヘリウム中で各振動装置の動作テストを行った。ナノワイヤー共振器については、磁場の有無で信号の相違を観測したが、現在のところ機械共振信号の確証までは至っていない。超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子においては正常動作確認し、液体の粘性抵抗の温度依存性および超流動転移の観測に成功した。 scNW共振器の作製、冷凍機および配線回路の準備、および超流動中での超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子のテスト実験までは順調に進んだが、主題であるscNW共振器の共振信号の観測にまでは至らなかった。他の振動子は正常に測定できていることから、冷凍機内の配線回路や熱アンカーの取り回しの問題はないと思われる。現在以下の可能性について考えている。1.共振周波数が予想値と大きく異なっている、もしくはQ値が非常に高いため、現状の測定精度で観測できない、2.使用したscNW基板およびソケット周りの配線接続不良、3.そもそもscNWが正常に機械的強制振動してない。 scNW共振器の機械共振信号を探索し、超流動中での共振実験を行う。現在までの進捗状況で述べた考えうる原因の解決に向けて、以下の改善を行う。1.より高分解能な発振器を用いて広範な周波数帯域で時間をかけて測定を試みる。2.基板上の配線不良に関しては、scNW基板を大量生産して、一つずつ調べることで正常動作する試料を探す。また、ソケット周りは出来る限り不要な接続部分を取り除き、シンプルな配線接続に改良する。3.本構造のscNWの超流動中の共振実験例はまだないため、先行研究の作製方法を踏襲し、CNTを用いず微細加工で作製した架橋ナノビームも同時進行で作製し、比較テスト実験を検討する。基本的にはトレンチ構造作製と同様のプロセスで作製可能である。 また、最近新たに～10MHzの高周波水晶振動子を見つけたため、この振動子の共振テストを行い、高周波領域での量子渦の生成検出実験への応用の可能性やscNW共振器との比較対象としての利用の可能性について調べる予定である。 scNW共振器を量子乱流減衰過程で放出される素励起の検出器として用いるための評価実験を検討し、フォノン生成装置として超伝導接合デバイスを準備する。超伝導接合作製は、現在進めている別のテーマ研究ですでに確立した方法を応用する。本デバイスは上記の振動子とともに簡易冷凍機で同時にテスト実験を行う。

本研究は多様な原子分子の薄膜を超流動化する新しい方法を確立し、物理学の発展に資する。固体基板に吸着した水素やネオン薄膜に超高周波フォノンを照射して流体的励起状態に遷移させ、非平衡下でボース凝縮やBCS転移即ち超流動を起こす。薄膜の励起には超伝導トンネル接合を利用し、0.1THz程度のフォノンパルスを生成して吸着基板に照射し、励起粒子が基底状態に戻る時間内に超流動を観測することを目指す。この方法で熱平衡では実現不可能な超流動状態や構成粒子が内部構造を持つ新規超流動を実現できる。またレーザー冷却が困難な分子や、C60のような重い分子の超流動を実現し、非平衡超流動薄膜による新物理を開拓する。

ヘリウム薄膜は「2次元強相関量子多体系」として、トポロジカル超流動、量子液晶、非平衡などの新現象を示しうる。申請者は2次元ヘリウムの性質が「励起にエネルギーギャップをもつ局在固体」と「超流動」間の「量子相転移」という見方―量子相転移描像―で統一的に理解できることを提案している。 本研究ではこの量子相転移描像に基づき、2次元ヘリウムに期待される新奇量子現象を開拓する。具体的には、(1)フォノン照射による非平衡超流動状態の実現、(2)純2次元トポロジカル超流動ヘリウム3の探索、(3)ヘリウム4薄膜における固体と超流動の共存の検証、という3つの新奇量子凝縮相・量子現象の解明に取り組む。

本研究では、Sr2RuO4(SRO)におけるスピン3重項カイラルp波超伝導性に起因した特異な磁束渦状態を解明するため、マイクロSQUIDとSRO微小片を用いた磁化測定デバイスを作製し、以下の実験結果を得た。 1.カイラル超伝導性の影響を示唆するような2種類の異なる磁束渦誘起信号を観測。2. 面内磁場印加下で磁化測定を行い、半整数磁束渦の可能性を示唆する信号を観測。3. SRO-Ru共晶微小片における磁化測定から、Ru超伝導転移に伴う誘起磁束分布の変化を観測した。しかし、s波-カイラルp波超伝導位相競合に伴う磁束渦自発生成は観測されなかった。