有機超伝導体・高温超電導体における磁束状態と安定化の新展開

識別番号
Ｐ１６
研究課題
有機超伝導体・高温超電導体における磁束状態と安定化の新展開
研究代表者
後藤貴行
共同研究者
高尾智明・中村一也
Quantum fluctuation often brings a non-trivial physical state to atoms or solids at
low temperatures, represented by liquid helium, which persists to be liquid even at the
absolute zero, where the quantum fluctuation prevents solidification. In this project,
we investigate the effect of the quantum fluctuation on the magnetic flux penetrating
superconductors. The flux form a lattice at low temperatures, and melts at high
temperatures just like real crystals. Is the flux lattice always solidifies at the
absolute zero ? We expect that the quantum fluctuation will bring the novel and
exotic state of the flux lattice at low temperatures. The study of this flux lattice is
also important for applied research, because the zero-resistance, which is
indispensable for the application of the superconductivity, is maintained only when
the flux lattice solidifies. The goal of this project is full understanding of the effect
of the quantum fluctuation on the flux lattice from both sides of the scientific and
engineering approaches.
Summary
1. はじめに
全てのものが静止すると思われる絶対零度において、量子ゆらぎはしばしば予想のつかない現象をもたら
す。よく知られているようにヘリウムガスは絶対零度においても液体のままであり固体にならない。これは量子ゆ
らぎによって原子が有限な運動エネルギーを持つためである。この量子ゆらぎの強さは低次元になるほど影響
が強く、二次元的平面的な結晶構造を持つ物質で顕著になる。本企画の主題である磁束格子(flux lattice)は、
超伝導体に強い磁場を印加した際に、超伝導体内部を貫通する磁力線のことである。磁束格子は温度が高い
と液体のように融解し、低温で結晶化するなど、実在の粒子のように振舞うことが知られている。磁束格子の密
度は磁場に比例するため、高磁場では粒子間隔が小さくなり、その間隔が、磁束線のゆらぎの振幅に達すると
融解する。この振る舞いも実在の固体の融解を表すリンデマン則と一致する。このように、いわば仮想粒子とし
て振舞う磁束線の状態を理解することは、超伝導の理解に不可欠であるとともに、一方、工学的な面において
も重要な意味を持つ。なぜなら、超伝導体に電流を流した際に、ローレンツ力によって磁束線が動いてしまうと
電圧が発生し、超伝導のホールマークである電気抵抗ゼロが実現せず、ジュール損失によって超伝導が不安
定となるためである。このため、工学的見地からは磁束の固定化（＝ピン留め）が最も重要な課題とされる。
多くの有機超伝導体や高温超伝導体は、超伝導平面を重ね合わせたような構造をしており、擬二次元構
造と呼ばれる。前述のように量子効果は低次元系で顕著となるため、磁束格子の新しい相が現れるかも知れな
い。実際、-(BEDT-TTF) 2 Cu(NCS) 2 と呼ばれる有機超伝導体では、量子ゆらぎによって、数十 mK における超
低温においても磁束が固化せず、有限低抵抗状態が出現することが報告[1]されており、液体でもなく、固体で
もない、シャーベットのような状態「磁束スラッシュ」と呼ばれているが、詳細についてはよくわかっていない。
本研究の目的は、磁束状態への量子揺らぎの影響という理学的な興味の対象を、基礎・応用サイドの両面
から調べ、理解を深めることで、将来の応用を含めたブレークスルーにつなげることである。基礎サイドのアプロ
ーチは NMR によるスラッシュ相の磁束の空間分布および動的ゆらぎのミクロスコピックな観測であり、一方、応
用サイドは、熱損失、機械的歪、交流応答、臨界電流測定というマクロ量的物理量の測定により、このエキゾチ
ックな相における有効なピン留め効果を探索する。
1
2. これまでの量子スラッシュ相の研究の経緯
通常の超伝導体の磁束格子の相図を図 1（左）に示す。臨界温度近傍では磁束は液体状態（点線の内側
の白色部分）で、低温で固化（斜線で塗りつぶされた部分）するようすがわかる。固体相は低磁場域からマイス
ナー相、ブラッググラス相、ボルテックスグラス相の三つの相からなる。臨界磁場以下の全ての磁場域において、
低温極限では固相に転移する。しかし、二次元性の強い系（＝量子揺らぎの顕著な系）、例えば前述の有機超
伝導体-(BEDT-TTF) 2 Cu(NCS) 2 では、高磁場域で絶対零度の極限まで、固化しない。その様子を図 1（右）に
示す。
H
3D anisotropic
Type-II superconductors
highly layered
 -(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2
8
6
H (T)
H g T 
vortex slush
H c2 T 
vortex
liquid
vortex
glass
H * T 
Bragg glass
4
H m T 
vortex
liquid
normal state
vortex glass
2
Bragg glass
0
0
Me i ss ne r
TC
T. Giamarchi, P. L. Doussal.:
T
5
T (K)
10
図１磁場中における一般の超伝導体（左）、及び、二次元性の極
PRL 72, 1530, PRB52, 1242, 55, 6577
T.に
Sasaki, et al.: PRB66, 22453.
めて強い場合（右）の磁束格子の相図。二次元性の強い場合
は、量子揺らぎによって低温まで固化しない相(slush)が現れる。
高磁場側において低温でも固化しない新しい磁束格子相（＝slush）が、現れることが、電気抵抗の測定か
ら予言されている[1]。彼らは、液体相から温度を下げていくと電気抵抗のステップ状の減少が起こるものの、低
温で有限抵抗が残ることから、液体と固体の中間の相の可能性があると指摘している。申請者は、これまでこの
物質の NMR 測定を行い、液体相から slush 相に変化する際の縦緩和曲線の曲率の変化を観測した。一般に、
均一な系では 1 H 核のスピン格子緩和曲線の立ち上がりは直線的になるが、本系では高温の磁束液体相で有
8

H 0 sa mple
5.04 T #2
4.61 T #1
4.58 T #2


vortex slush
6

4
vortex
liquid


normal state
0
5
T (K)
T C (H 0)



H 0 = 0.75T

10
1

1
T1 (s )
Bragg glass
0


T (K)
vortex glass
2


1.8K
10K
   



H (Oe)
TM

16
12
8
4
0
Line width (Oe)
H (T)

T c(H 0)


T (K)

 
図２ NMR で見た磁束固体相と磁束 slush 相の緩和率の振る舞い。
液体から slush 相へ変化すると、緩和曲線のべき指数が 1 に漸近するようすがわかる。
2
限な曲率を示している。すなわち、べき指数は 1 に比べて遥かに小さな値となった。これは渦糸液体状態におけ
る何らかの不均一を反映していると思われる。温度を下げていくと、液体相から slush 相に変化する約 1.3Ｋにお
いて急激に増加し~1 に向かって漸近する。図 2（右上）にべき指数の温度変化を示す。slush 相で見られるべ
き指数１は、slush の方が液体に比べてより均一な状態であることを意味している。最初に述べたように slush 状
態は固体と液体の混合状態のようなものと考えられており、直感的には不均一な状態に見えるが、本結果は
slush 状態の方がむしろ均一な状態に見えていることになる。
一見、奇妙に見えるこの結果は次のように説明される。核スピン緩和曲線が冪的になる現象は、たとえば、
希薄磁性不純物を含んだ系で良く知られている。そのような系では、緩和中心である磁性不純物と
dipole-dipole 相互作用によって核スピン緩和が進行するが、その速さ( T11 )は両者間の距離に強く依存( ~ r 6 )
するため、核スピンは各々の位置によって、緩和の進行速度が異なり、空間的に不均一な状態となり、これが冪
乗的な緩和曲線の原因である。本系は slush 相において磁束格子の微小クラスターが多数出現することにより、
全体的な空間不均一が小さくなった可能性がある。このモデルの検証も本企画のテーマの一つである。
3. 本申請における共同研究企画
新しい磁束格子相である slush 相に対して、理学・工学の両方の見地からアプローチすることで基礎的理解
深まり、さらに以下のような発展が期待できる。これらの内容に合致する共同研究を次年度より立ち上げるべく、
現在、各方面との連携を検討している。
・磁束線の有効なピン留め法（不純物・格子欠陥）及び安定化法の開発
・磁束格子の相変化を利用したセンサ、及びデバイスの開発
・超伝導、さらに、新奇な磁束相の出現が期待できる新しい低次元有機金属錯体の開発
参考文献
[1] T. Sasaki et al., Phys. Rev. B66, 224513 (2002).
[2] M. Urano et al. Phys. Rev. B76, 024505 (2007)
3

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