Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

材料科学の世界において、電子は通常、予測可能な台本に従います。電子は川を流れる水のように金属の中を流れるか、あるいは完璧に足並みを揃えてペアを作り、電気抵抗がゼロになる状態である超伝導を生み出すために移動します。数十年もの間、物理学者たちは、超伝導と「電荷密度波」と呼ばれる別の電子状態は、天敵の関係にあると考えてきました。電荷密度波とは、電子が静的な波紋のように配置され、硬い構造へと凍結するパターンです。かつてのルールは単純でした。もし電子がこれらの波紋を形成するのに忙しければ、それらは超伝導のためにペアを作ることはできず、その逆もまた同様です。これらは同じ電子を奪い合い、通常はどちらか一方が勝ち、もう一方を押し出してしまうのです。しかし、近年の発見により、自然界はこの単純なライバル関係よりも複雑であることが明らかになりました。一部の材料では、これら二つの状態が共存することができ、その相互作用が、物質の仕組みに対する私たちの理解を覆すような、全く新しい予期せぬ挙動を生み出すことがあります。

研究者たちは今、カゴメ超伝導体として知られる結晶ファミリーの中に、この複雑さの驚くべき例を発見しました。これらの材料は、その内部構造が三角形を用いた編み籠のような模様に似ていることから名付けられました。中国科学技術大学の研究者を中心とするチームは、結晶内のアンチモン原子の一部をスズ原子で慎重に置き換えることにより、材料の振る舞いが劇的に変化することを観察しました。彼らは、結晶が電子が短く縞模様のようなパターンを形成する特定の相に入ったとき、超伝導が単に消失したり一様に弱まったりするのではないことを見出しました。その代わりに、超伝導はパッチワーク状になります。この状態では、超伝導は小さな孤立した島として出現し、それらが成長して最終的に材料内を通る経路を形成しますが、一方で、かなりの割合の電子は、超伝導状態の内部であっても、ペアを作らずに通常の状態で留まったままとなります。

この発見への道のりは、CsV3Sb5と呼ばれる化合物である高品質の結晶を成長させ、アンチモンの原子をわずかな割合で系統的にスズに置き換えることから始まりました。科学者たちは、スズの量を増やしていくにつれて材料がどのように変化するかをマッピングしました。その結果、非常に特定の地点、つまりアンチモン原子の約7パーセントが入れ替わったときに、電子パターンの性質が急激に変化することを発見しました。この時点より前では、電子は結晶全体にわたって大きな繰り返しのパターンを形成していました。この時点を過ぎると、パターンは短く局在化した縞模様へと崩壊しました。この変化と同時に、材料が超伝導体になる温度が急激に低下しました。しかし、最も驚くべき発見は、単なる温度の低下ではなく、この縞模様相における超伝導の奇妙な振る舞いでした。

研究者たちがこれらの縞模様相の試料の電気抵抗と磁気特性を測定したところ、明確な不一致が見られました。材料は、実際に電気抵抗ゼロで電気を流し始めるよりもはるかに高い温度で、磁場を反発するといった超伝導の兆候を示し始めたのです。このギャップは、超伝導が一度にどこでも起きているわけではないことを示唆していました。その代わりに、小さな超伝導のポケットが早い段階で形成され、通常の非超伝導性の金属の海の中に浮かんでいるのです。温度がさらに下がると、これらのポケットは成長し、まるで島々が大陸へと合併するように繋がり、試料全体に電気が自由に流れる経路を形成しました。パーコレーション（浸透）として知られるこのプロセスは、なぜ遷移がこれほど幅広かったのか、そしてなぜ材料が電流の押し方によって異なる振る舞いをしたのかを説明しました。

このパッチワークを直接観察するために、研究者たちは走査型トンネル顕微鏡という強力な顕微鏡を使用しました。これは個々の原子を画像化し、特定の場所における電子のエネルギーを測定できる装置です。彼らは、超伝導ギャップ（電子がペアにロックされるエネルギー範囲）のサイズが、結晶表面の場所によって大きく異なることを見出しました。ある領域ではギャップは大きく明確であり、別の領域では小さくぼやけていました。決定的なのは、この変動がスズ原子の分布とは一致していなかったことです。スズ原子は均一に分散していたため、この超伝導の不均一性は不純物自体によるものではありませんでした。むしろ、その変動は短距離の電子の縞模様に関連していました。顕微鏡は、これらの縞模様によって電子が散乱され、それが超伝導のペアを壊している様子を明らかにしましたが、それは特定の領域においてのみ起こり、強固な超伝導と弱い超伝導の景観を作り出していました。

この状態の最も不可解な側面はおそらく、材料が超伝導状態にあるときでも、大量のペアを作っていない電子、すなわち「通常の流体」が存在することでした。典型的な超伝導体では、ある温度以下になるとほぼすべての電子がペアを作ります。しかしここでは、測定の結果、最低温度においても、かなりの割合の電子（サンプルの違いによりますが、およそ3分の1から3分の2）がペアを作らずに活動的な状態のままであることが示されました。これらのペアを作っていない電子は、単なるランダムな残りカスではありませんでした。それらは、材料の電子構造内の特定の経路に集中しており、それらの経路は縞模様のパターンと直接結びついていました。研究者たちは、短距離の縞模様が強い散乱源として機能しており、従来の超伝導体では禁じられているような方法で電子のペアを壊していると結論付けました。これは、電子の波動関数の符号が変化する、よりエキゾチックな型のペアリングの特徴です。

この研究は、いくつかのより単純な説明を排除しています。超伝導の不均一性は、スズ原子の凝集や結晶格子の歪みによって引き起こされたものではありませんでした。なぜなら、スナの分布は均一であり、縞模様のパターンが消失するとその効果も消えたからです。また、これは材料が単に超伝導体と金属という二つの異なる相に分離しているわけでもありませんでした。むしろ、証拠は、超伝導が本質的に脆弱で空間的に変動しているのは、電荷の縞模様との相互作用による、単一で統一された状態であることを示しています。この発見は、これらのカゴメ材料における電子が、より複雑で非従来的な方法でペアを形成していることを示唆しています。おそらく、電子の量子波動関数の符号の変化を伴っており、それが縞模様の存在に対して非常に敏感であることを意味しています。

この研究は、超伝導と電荷秩序が単に競合するだけでなく、協力して不均一なパッチワークのような現実を作り出す、物質の状態を垣間見る貴重な機会を提供しています。これは、超伝導は一様で全か無かの状態でなければならないという長年の見解に挑戦するものであり、適切な条件下では、超伝導が接続された島々の集合体として出現し得ることを示しています。比較的単純でよく理解されている材料においてこのユニークな振る舞いを特定することで、研究者たちは非従来型超伝導の物理学を探求するための新しい窓を開きました。彼らの結果は、異なる電子秩序の相互作用が豊かで予期せぬ現象をもたらすことを示唆しており、電子がどのようにペアを作り、抵抗なく流れるのかを支配する根本的なメカニズムを探求するための新しいプラットフォームを提供しています。