<講義ノート>原子層物質を用いた二次元超伝導研究の新展開

Abstract

二次元超伝導の研究には長い歴史があり、2016年のノーベル物理学賞の対象となったベレジンスキー・コスタリッツ・サウレス(BKT)転移や、普遍的な量子化伝導度を臨界値とする超伝導－絶縁体転移は、二次元超伝導体において観測される現象である。しかしこれまで実験の対象となってきた試料は、技術的な制限から、アモルファスなどの結晶性の悪い系のみであった。ところが、近年のナノテクノロジーと原子層物質研究の急速な発展によって、原子レベルの厚さと高い結晶性を同時に有する、理想的な二次元超伝導体を実験に用いることが可能になってきた。本稿では、このような新しい物質系を用いた二次元超伝導研究について概観する。物質系としては、すでにさまざまなものが登場しており、半導体表面上の金属原子層から、酸化物ヘテロ界面、ユニットセル厚さの酸化物超伝導体および鉄系超伝導体、グラフェン、単層遷移金属カルゴゲナイドなど多様である。これらの二次元超伝導体は、原子層厚さしかないことから、外場やヘテロ構造の作製によって超伝導特性の制御が可能となる。この中には、対応するバルク物質の転移温度を遙かに超えるものも見つかっている。また空間反転対称性が破れ、ラシュバ型またはゼーマン型スピン軌道相互作用が超伝導特性に大きな影響を及ぼすなどの特徴があらわれる。本稿では、これまでの代表的な実験を紹介しつつ、原子層二次元超伝導体で現れる現象の本質について考察する。