Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
qPlus原子間力顕微鏡および走査型トンネル顕微鏡を用いて単結晶Pb(111)を用いた本研究は、タイプI超伝導体における静電遮蔽がロンドン侵入長ではなくトーマス・フェルミ長によって支配され続けていることを実験的に示しており、これによりJ. E. ハーシュスの代替理論に反証するとともに、超伝導状態への転移に伴って縦方向の応答が変化しないことを確認している。
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物理学者は、超伝導体がどのように振る舞うかを説明するためのルールに、1世紀近く頼ってきました。電気抵抗なしで電気を流すこれらの材料は、マイスナー効果として知られる現象、すなわち磁場を排除することで有名です。この排除は、超伝導体が磁力線を押し退けるシールドを作り出すことによって起こりますが、それはロンドン侵入長と呼ばれる特定の距離においてのみ起こります。数十年にわたり、標準的な見解では、超伝導体は磁場を遮断することには非常に優れているものの、静電場の扱い方を変えることはないと考えられてきました。この伝統的な理解によれば、超伝導体の近くにある電場は、通常の金属と同様に、原子1個の幅程度の極めて短い距離で遮蔽（ブロック）されます。しかし、数年前に、J. E. ハーシュという物理学者が異なるアイデアを提案しました。彼は、超伝導体が電場を遮蔽するルールは、磁場を遮蔽するルールと同じである可能性を示唆したのです。もし彼の理論が正しければ、材料が冷却されて超伝導状態になると、電場を遮蔽する距離は、原子の幅から数千倍も長い距離へと突如として変化することになります。この可能性は、私たちの超伝導体の仕組みに関する根本的な理解を書き換える必要があることを意味するため、議論を巻き起こしました。これは、電場を用いて超伝導体を制御することに依存する将来の電子デバイスへの影響も含んでいます。
ノッティンガム大学の研究チームは、超伝導体の表面を直接観察することで、この疑問を解決することに決めました。彼らは、極低温に冷却されると超伝導体となる金属である鉛の単結晶を選択しました。競合するアイデアを検証するために、彼らは材料の表面における微小な電場に対して、材料がどのように反応するかを測定する必要がありました。彼らは、鋭いチップと表面の間の力を感じ取り、また電子の流れを測定することもできる、走査型トンネル顕微鏡と呼ばれる非常に高感度な装置を使用しました。研究者たちは、鉛の試料を約340ミリケルビンまで冷却しました。これは、鉛が通常超伝導になる温度のわずか5パーセントという、極めて低い温度です。この温度において、材料はしっかりと超伝導状態にあります。この状態を通常の状態と比較するために、彼らは表面に200ミリテスラの磁場を印加しました。この磁場は、温度や顕微鏡のチップの位置を変えることなく、鉛を再び通常の金属に戻すのに十分な強さでした。磁場をオン・オフすることで、彼らは表面の全く同じ地点を、超伝導状態と通常状態の両方で観察することができました。
チームは、電場の遮蔽が変化するかどうかを見るために、2つの異なるものを測定しました。第一に、顕微鏡のチップと試料の間の力を、チップを近づけたり遠ざけたりしながら測定しました。もしハーシュが予測したように、超伝導状態で電場がより長い距離にわたって遮蔽されているのであれば、チップが感じる力は顕著に変化するはずです。彼らは同じ地点で数十回の測定を行い、その結果を平均して明確な図を得ました。データによれば、鉛が超伝導状態であっても通常状態であっても、力は全く同じでした。2つの状態の差は非常に小さく、測定の自然なノイズの中に埋もれてしまうほどであり、長距離の電場シールドという考えを支持するにはあまりにも微弱でした。
完全に確信を得るために、研究者たちはもう一つの独立した手法を用いました。彼らは、チップから試料へと電子が飛び移るプロセス、すなわち「電界放出共鳴」と呼ばれる独特のパターンを生み出す電子のエネルギーを観察しました。これらのパターンは、表面付近の電場環境の指紋のような役割を果たします。もし電場の遮蔽長が変化していたならば、これらの電子のエネルギー準位はシフトしていたはずです。研究者たちは、超伝導状態におけるエネルギーパターンを通常状態におけるものと比較しました。パターンは完璧に重なり合い、エネルギーのシフトは見られませんでした。これにより、電場は両方の状態で同じ短い距離でブロックされていることが確認されました。
結果は決定的でした。研究者たちは、通常状態と超伝導状態の間における電場の遮蔽の変化は1パーセント未満であることを発見しました。これは、ハーシュの理論が予測した値よりも数百倍も小さいものです。データは、材料が超伝導体になると遮蔽長が磁気シールドの大きさにまで拡大するという考えを否定しました。むしろ、今回の知見は伝統的な見解を支持しています。すなわち、磁場を遮断するマイスナー効果は、静電場の遮蔽方法には影響を与えない別個の現象であるということです。電場は、材料が超伝導体であろうと通常の金属であろうと、変わらず原子1個の微小な距離で遮蔽され続けます。この研究は、この特定の理論的論争に終止符を打ち、超伝導体における電場と磁場のルールは、最も基本的なレベルにおいても依然として別個のものであることを裏付けました。
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