Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling
走査型ジョセフソン・トンネル顕微鏡法を用いることで、研究者らは単層Fe(Te,Se)薄膜における半単位格子周期の変調を直接撮像し、これにより、鉄系超伝導体の複雑なペアリング機構の解明における従来の限界を克服し、符号反転を伴うノッドレスd波ペアリング対称性を裏付けることに成功した。
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物理学における最も神秘的な材料の中核には、ある単純な問いが存在する。すなわち、電子はいかにしてペアを組み、抵抗なく流れるのか、という問いである。多くの高温超伝導体において、これらのペアは同一の双子ではなく、むしろ逆方向に動くパートナーのようなものであり、「符号反転」として知られる状態にある。このパートナーシップの正確な形状、すなわちその対称性を決定することは極めて重要である。なぜなら、それが電子を結びつける隠れた力を明らかにするからである。数十年にわたり、科学者たちはこれらの形状を推測するために大規模な実験に頼ってきたが、これらの手法は、まるで1マイル先から本を読もうとしているかのように、細部をぼやけさせてしまうことが多かった。この課題は、特に鉄系超伝導体において顕著であった。これは強力な材料のグループであるが、ペアリングの規則は複雑であり、信号はしばしば複数の電子タイプの存在によって混迷してしまう。
研究チームは今、個々の原子を見ることができるほど強力な顕微鏡を用いてこの問題に取り組み、電子ペアがどのように振る舞うかを直接的な視点から捉えた。彼らは、走査型ジョセフソン・トンネル顕微鏡と呼ばれる特殊な技術を用い、結晶表面に成長させた鉄系材料の単層の超伝導状態をマッピングした。超伝導の均一な輝きを見る代わりに、彼らは半原子ごとに繰り返される光と影の劇的なパターンを発見した。最も重要なことに、彼らは原子を結ぶ特定の線に沿って、電子ペアからの信号が完全に消失することを発見した。この「ゼロの線」は、材料の欠陥やギャップではなく、電子ペアが互いに打ち消し合うという根本的なシグネチャーである。この発見は、この材料内の電子が、理論的には提唱されていたものの直接可視化されたことはなかった「ノッドレスd波（nodeless d-wave）」と呼ばれる特定の符号反転パターンでペアを組んでいることを強く示唆している。
物語は、科学者たちを長年悩ませてきた材料から始まる。それは、ストロンチウム・チタニウムの表面に置かれた、わずか原子1層分の厚さを持つ鉄、テルル、セレンの単層膜である。この薄膜は比較的高い温度で超伝導体になることで有名だが、その内部構造は激しい論争の対象であり続けている。内部で何が起きているのかを理解するために、研究者たちは電子ペアの量子位相、すなわちそれらがどのように移動し相互作用するかを決定する性質を探索できるツールを必要とした。彼らは、鉛でコーティングされたチップを備えた走査型トンネル顕微鏡を用いた。この超伝導チップが鉄系薄膜のすぐ上に浮遊すると、微小な架け橋が形成され、電子ペアがギャップを越えてトンネルすることを可能にする。このトンネル電流の強さは、チップ内の電子ペアと薄膜内の電子ペアの位相がどのように一致するかによって決まる。
研究者たちは単一の地点で電流を測定しただけではない。彼らはチップを表面上で原子一つひとつずつスキャンし、あらゆる場所でのトンネル信号の強度を記録した。彼らが見出したのは、劇的なコントラストを持つ景観であった。信号は隣接する鉄原子の中間で最も強かったが、チップが次の近接鉄原子を結ぶ線に向かって移動するにつれ、信号は急激に低下した。実際、これらの対角線に沿って、トンネル電流はほぼ完全に消失した。これは、これらの点間の距離が極めて小さいことから、非常に深い観察である。もし材料が単に不均一であったり、超伝導がパッチ状であったりしたならば、信号はこの特定の幾何学的な線に沿ってこれほど精密に消失することはない。消失した信号は、その線の片側にある電子ペアが、もう一方の側のペアと完全に位相がずれており、破壊的干渉によって互いに打ち消し合っていることを示している。
この打ち消し合いは、特定の種類のペアリング対称性の決定的な証拠（smoking gun）である。量子力学の言葉を使えば、研究者たちは、電子ペアがこれらの対角線に対して反射される際にその符号を変化させることを見出した。この挙動は、ペアリング関数がある種の回転や反射の下で符号を反転させる、ノッドレスd波状態の理論的予測と一致する。チームは、他の超伝導体をテストすることで、このパターンが装置のアーティファクトや特定の材料組成によるものではないことを確認した。従来の超伝導体である鉛を用いて同じ実験を行ったところ、信号は均一であり、このような打ち消し合いは見られなかった。バルク版の鉄系材料についても調査したが、これは異なるペアリング構造を持つことが知られており、信号も同様に均一であった。しかし、異なる鉄系薄膜と、d波対称性を持つことで知られる有名な銅系超伝導体をテストしたところ、両者において対角線に沿った同じ消失信号が観察された。
結果は、これらの鉄系薄膜における超伝導状態の明確な実空間像を提供している。研究者たちは、これらの鉄系薄膜における電子ペアは、他の多くの鉄系超伝導体に見られるような単純で均一なパターンに従っているのではないと主張している。代わりに、彼らは、これらのゼロ信号の線を作り出す、複雑な符号反転のダンスに組み込まれているのである。この発見は、これらの薄膜における高温超伝導が高レベルの仮説に過ぎなかった特定の種類のペアリングから生じているという考えを支持している。電子ペアの干渉を原子スケールで直接可視化することで、本研究は超伝導のメカニズムを理解するための新しい方法を提示している。それは、これらの材料の秘密を解き明かす鍵は、広い領域で平均化してしまうのではなく、電子ペアが実際に存在する場所で、その微妙な打ち消し合いや整列を見つめることにあることを示唆している。この研究は、同じレベルの詳細さで他のエキゾチックな超伝導体を探索する道を切り開き、物質が損失なく電気を導く仕組みを支配する隠れた規則を明らかにする可能性を秘めている。
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