Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

対称性は物理世界の隠れた文法であり、物質がどのように振る舞い、エネルギーがどのように移動するかを規定する一連の規則である。粒子が固形物というよりも波のように振る舞う量子物理学の世界において、これらの規則は特に厳格である。科学者たちは、新しい状態の物質を生み出したり、異常な挙動を示すデバイスを構築したりするために、これらの対称性を破る方法をしばしば模索する。最も魅力的な研究分野の一つは、電気抵抗ゼロで電気を伝導する材料である超伝導体に関するものである。二つの超伝導体が薄い障壁によって隔てられているとき、それらは依然として互いに「会話」することができ、電池なしでギャップを横切る電流の流れを可能にする。この流れは超電流として知られ、磁場に対して非常に敏感である。磁場を印加することで、研究者はこの電流を自分自身と干渉させ、二つの石が池に投げ込まれたときに形成される波紋のような、ピークと谷のパターンを作り出すことができる。これらのパターンを制御する方法を理解することは、科学者が特定の有用な特性を持つ量子デバイスを設計することを可能にする。

研究チームは、磁場を回転させるだけで、これらの干渉パターンをオン・オフしたり、その形状を変えたりする方法を実証した。プラチナ・テルルと呼ばれる材料の薄いフレークを二つの超伝導電極で挟んだデバイスを用いて、彼らは磁場の方向が電流に対する相対的な関係がマスター・スイッチとして機能することを発見した。磁場が特定の方向に印加されると、干渉パターンは非対称になり、波紋パターンの片側がもう一方の側よりもはるかに大きくなる。しかし、磁場を90度回転させると、磁場が依然として強力であるにもかかわらず、パターンは完璧な対称の形へと瞬時に戻る。この、破れた対称性と回復した対称性の間を切り替える能力は、量子輸送を制御するための新しい方法を提供し、磁場の幾何学的形状をデバイスの挙動を再構成するためのツールへと変える。

実験は、繊細な量子効果が可視的な状態に保たれるよう、絶対零度に近い約50ミリケルビンの温度に冷却された研究所で行われた。研究者たちは、厚さが20から40ナノメートルのプラチナ・テルルのフレークを用いてデバイスを製作した。彼らは、超電流が流れるジャンクション（接合部）を作るために、ニオブ・チタン製の超伝導電極をフレークの両側に取り付けた。システムを探索するために、彼らは二つの成分を持つ磁場を印加した。一つはデバイスを真上に向かって貫くものであり、もう一つは材料の平面内に水平に横たわるものであった。この平面内の磁場の角度を電流に対して変化させることで、彼らは干渉パターンがどのように進化するかを観察することができた。

平面磁場が存在しないとき、デバイスは予想通りに機能し、フラウンホーファー・パターンとして知られる古典的で対称的なパターンを生み出した。このパターンは、大きな中央のピークと、その両側にある等間隔の小さなピークを特徴としており、これは超電流がジャンクションを均一に流れていることを示している。しかし、電流に対して平行な平面磁場を導入した途端、対称性が消失した。パターンは激しく歪み、中央の極大値の片側のピークが縮小する一方で、もう一方の側のピークが増大した。この非対称性は非常に顕著で、まるで鏡像が反転したかのようであった。研究者たちは、この効果がランダムではなく、電流と磁場の間の角度に完全に依存していることを見出した。磁場が電流に平行であるとき、歪みは最大となった。磁場を電流に対して垂直に回転させると、パターンは即座に元の対称な状態に戻った。

なぜこのようなことが起きているのかを理解するために、チームはデバイス内部で起きていることの微視的なモデルを開発した。彼らは、超伝導電極が単なる受動的な壁ではなく、通過する磁力線を能動的に再形成していることに気づいた。磁場を排除する性質であるマイスナー効果により、平面磁力線は電極の端に近づくにつれて曲がることを余儀なくされる。この曲がりにより、磁場が特定の場所では上を向き、別の場所では下を向くような、局所的な領域が形成され、超伝導体と常伝導体の界面に実質的に磁気双極子を形成する。

これらの微小な磁気双極子は、目に見えない手のように、ジャンクションを流れる電子の経路を押し引きする。完璧で欠陥のない材料であれば、これらの押し引きは打ち消し合う。しかし、現実の材料には常に無秩序（ディスオーダー）が存在する。つまり、電子を散乱させる原子構造の微小な不完全性である。この無秩序のため、電子はジャンクション内を異なる、曲がりくねった経路で進む。ある経路は磁気双極子の「上」の部分をサンプリングし、別の経路は「下」の部分をサンプリングする。研究者が主磁場の方向を反転させると、これらの異なる経路上の電子は異なる正味の押しを受けるため、干渉パターンがシフトし、非対称になる。この効果の強さは、平面磁場がどのように配向しているかに依存していた。磁場が電流に平行であるとき、磁力線の曲がりが最大化され、干渉パターンをかき乱す強い双極子が形成された。垂直であるとき、曲がりは最小限となり、双極子は消失し、対称性が回復した。

研究者たちは、他の可能性のある説明を排除するために慎重を期した。材料自体に特定の方向を好む固有の性質があるのではないかと検討したが、実験の結果、この効果は材料の結晶構造ではなく、デバイスと共に回転することが示された。彼らは異なる長さや向きのデバイスでもテストを行ったが、挙動は一貫しており、この現象がサンプルの特定の欠陥ではなく、磁場と電流の幾何学的関係によって駆動されていることを裏付けた。さらに、彼らはコンピュータ・シミュレーションを用いて、無秩序と磁場集束の効果を組み込んだシステムのモデリングを行った。これらのシミュレーションは実験結果を完璧に再現し、曲がった磁力線と電子の無秩序な経路との相互作用こそが原因であることを示した。

この発見は、制御可能な新しいタイプの量子デバイスを確立するものである。磁場を回転させるだけで、科学者は超伝導ジャンクションを、対称性が破れた状態と対称性が回復した状態の間で切り替えることができる。これは単なる理論的な好奇心ではない。これは、量子輸送の対称性をエンジニアリングするための実用的な手法を提供するものである。磁場の幾何学的形状を変更することで、どの対称操作が探索されているかを選択できる能力は、新しい種類のセンサーやスイッチへの扉を開く。例えば、このデバイスは磁場の向きを高精度に検出したり、材料中を流れる超電流の経路をイメージングしたりするために使用できる可能性がある。この研究は、無秩序が、適切な磁気環境と組み合わされたとき、しばしば厄介者とされるものが、いかにして有用な特徴として活用できるかを浮き彫りにしている。

研究結果は、これらのデバイスの挙動が、磁場の磁束を集束させる能力と、材料の内部構造のランダムな性質との間の繊細なバランスによって支配されていることを示唆している。研究者たちは、この効果が約70ミリテスラまでの磁場強度まで持続することに注目した。これは、このような繊細な量子現象としてはかなりの範囲である。垂直角における対称性の回復は特に堅牢であり、磁場強度が増加しても成立し続けている。これは、メカニズムが安定しており信頼できるものであることを示唆しており、将来の量子技術への有望な候補であることを示している。

より広い物理学の文脈において、この研究は、外部場を用いて量子状態を操作する方法に関する理解を深めるものである。これは、対称性が材料の固定された特性ではなく、リアルタイムで調整可能な動的な自由度であることを示している。研究者たちは、電流と磁場の相対的な配向を制御することで、超伝導電子の干渉のルールを事実上書き込み、消去できることを示した。このレベルの制御は、デバイスの挙動を即座に再構成する能力が不可欠となる、より高度な量子回路の構築を目指す上で重要な一歩である。この研究は、磁場と超伝導体および無秩序な材料との相互作用の基礎的な物理学に基づいた、明確かつ実験的に検証された道筋を提供している。