超伝導体は、最先端技術の塊であるMRI装置や粒子加速器、リニアモーターカーの建造に不可欠な素材だ。
超伝導体とはその名の通り、電気抵抗がないため電子を超伝導的に伝導する物質である。ほとんどの超伝導体は、超低温のような非常に特殊な条件下でのみ機能する。常温超伝導体がついに発見されたと報告されたが、まだ第三者からの確認も行われておらず、確実なものではない。
そして、そのメカニズムはこれまで長い間謎だった。だが今回、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、いくつかの材料が超伝導体になるメカニズムを発見したと報告している。
MITの物理学者Riccardo Comin氏が率いるこの研究は、材料がどのようにして電気抵抗から超伝導へと変化するのかを理解しようとしている。ある瞬間、典型的な金属の塊が、抵抗がゼロになり、電子が自由に流れるようになるのだ。これは魔法ではないが、この「ネマティック転移」の背後にある科学は巧妙に複雑である。
ネマティシティという言葉は、ギリシャ語で “糸 “を意味する “ネマ “に由来する。これは、材料を超伝導状態に導き、電子が摩擦なく流れるようにする協調的なシフトを表している。このシフトを引き起こす重要な相互作用は、ほとんどの鉄系材料において、原子が磁気スピンを同じ方向に揃えるように変化させることであると仮定されていた。
だが、高温超伝導体であるセレン化鉄はこのパターンから外れている。
70ケルビン（摂氏－203℃）前後の比較的高い温度で超伝導体になることで知られている。彼らは、セレン化鉄が、鉄系超伝導体に関する仮定を覆すユニークなメカニズムで超伝導を実現していることを発見した。これまでの通説とは異なり、セレン化鉄の原子は、原子の磁気スピンが協調的にシフトするのではなく、原子の軌道エネルギーが集団的にシフトするのである。
「非従来型超伝導を実現する道はたくさんあります。これは、超伝導状態を実現するための新たな道を提供するものです」と、Comin氏は説明する。
実験では、セレン化鉄の小片をチタンに貼り付けた。チタンはフレームとして機能し、科学者たちは機械的にセレン化鉄を引き伸ばすことで、ネマチック転移の際に見られる引き伸ばしを模倣することができた。研究チームは、一度に数マイクロメートルずつ、高エネルギーX線でセレン化鉄サンプルをスキャンし、超伝導転移の兆候を探った。
やがて、セレン化鉄のサンプルは興味深い動きを見せた。この分子には2つの電子軌道があり、通常、電子はランダムにそこに現れる。しかし、金属が伸びるにつれて、原子は一方の軌道を好むようになった。この変化は圧倒的で、サンプル全体にわたって協調的であったため、ネマティシティの新しいメカニズムが明らかになったのだ。
MITのポスドクでNSFのMPS-AscendフェローであるShua Sanchez氏は、「セレン化鉄は、これらの材料の中で最も明確なストーリーを持っていません。この場合、磁気秩序がありません。ですから、ネマティクスの起源を理解するには、鉄原子の周囲に電子がどのように配置されているのか、また、それらの原子が引き伸ばされるとどうなるのかを注意深く調べる必要があります」と説明する。
セレン化鉄の超伝導挙動は、MRI装置の強力な電磁石や、磁気浮上する高速列車など、現実世界での応用の可能性を秘めている。
論文
- Nature Materials: Spontaneous orbital polarization in the nematic phase of FeSe
参考文献
研究の要旨
FeSeにおけるネマティシティーの起源は、ネマティック秩序に近接した非従来型超伝導を理解する上で、依然として重要な未解決の問題である。ネマチック性の起源を理解するためには、構造歪みから独立した自発的な秩序パラメータを持つ電子の自由度を決定することが不可欠である。ここでは、Fe KプレエッジのX線線形二色性を用いて、ネマチック転移における3d軌道占有率の異方性を、その場印加応力と温度の関数として測定した。X線回折を用いてひずみ状態を精密に定量化するとともに、格子非依存的で自発的に秩序化したネマチック相内の軌道分極を明らかにし、さらに遷移に上方から近づくにつれて発散する軌道分極率を明らかにした。これらの結果は、自発的な軌道分極がネマチック相の主要な秩序パラメーターとして機能していることを示す強い証拠となる。
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