「ボース・アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態」を発見

本研究成果は、米国科学誌「Proceeding of the National Academy of Sciences USA （PNAS）」のオンライン速報版に掲載される予定です。

ポイント

• 今まで冷却原子でのみ実現していたボース・アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態が実在の物質で実現していることを示した。
• 強磁場中で未知の超伝導状態が現れることを発見
• 新しい量子状態の研究の舞台を提供

概要

金属中の伝導電子は、通常、数万度という高い運動エネルギーを持って飛び回っています。一方、超伝導は、二つの電子の間に引力が働き、電子のペアが形成されることによって生じます。通常の超伝導物質では、電子の運動エネルギーは、ペアを作ろうとするエネルギーよりも圧倒的に大きいことが知られています。逆に、電子がペアを作るエネルギーが強くなった極限では、強く束縛された分子状のペアが作られ、ペア同士は互いに弱く相互作用した状態で超流動や超伝導を起こすことが示唆されています。この現象は「ボース・アインシュタイン凝縮」と呼ばれています。この二つの中間状態では、ペアの大きさと電子の平均間隔が同程度になっています（左図）。この状態ではペア同士の相互作用が非常に強くなると考えられ、非自明な量子状態が実現される可能性があることから興味が持たれています。しかし、これまでの実際の超伝導物質では、ボース・アインシュタイン凝縮に近いような状態は発見されておらず、また、そのような超伝導でどのようなことが起こるかも分かっていませんでした。

今回、研究チームは、鉄を含んだ金属間化合物FeSeの電子状態と超伝導状態を調べることに成功しました。その結果、電子の運動エネルギーとペアを形成するエネルギーがほぼ同じであり、この物質ではこれまでのどの物質よりもボース・アインシュタイン凝縮に近い超伝導が実現していることを発見しました。さらに研究チームは、このような異常な超伝導において、低温・強磁場中での性質を調べ、電子の運動エネルギーと、ペアを作ろうとするエネルギー、さらに磁場のエネルギーが同程度になることで、三つのエネルギーの競合が起こり、新しい超伝導状態が実現することを発見しました（右図）。

今回発見された超伝導状態は、これまでの物質で実現されたことのない量子状態であると考えられ、この状態を詳細に調べることにより、新しい概念が得られると期待されます。

詳しい研究内容について

「ボース・アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態」を発見