【研究成果】究極の二次元超伝導体を実現 ～ナノエレクトロニクスの進展に寄与～

　東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・物理工学専攻の岩佐義宏教授、同研究科物理工学専攻の斎藤優大学院生らの研究グループが、京都大学大学院の笹原裕一准教授、オランダのフローニンゲン（Groningen）大学の叶劍挺准教授、本学金属材料研究所の野島勉准教授らと共同で、電界効果によって半導体表面に原子層の厚みをもった乱れの極めて少ない究極の二次元超伝導体を実現した。加えて乱れが極めて少ない二次元超伝導体に普遍的と考えられる「磁場下における金属状態」を観測し、その量子状態を解明した。




　超伝導体はリニアモーターなどの材料として、世界中で応用研究が盛んに行われている。特に物質のナノエレクトロニクスデバイスとしての側面に注目が集まっており、超伝導体の集積化において重要な超伝導細線や超伝導薄膜の基礎的物性を解明することが広く求められている。このうち、超伝導薄膜の研究は１９７０年代から続けられてきたが、乱れが極めて少ない理想的な超伝導薄膜がもつ性質は明らかになっていなかった。

　本研究では、セラミック半導体の一種である層状窒化物・塩化窒化ジルコニウム（ZrNCl）の高品質な単結晶をスコッチテープ法により劈開（へきかい）し、厚さ20ナノメートル程に薄膜化した後、その表面に電界効果トランジスタの一種であるＥＤＬＴ構造を作製した。これに電圧を加え電気抵抗の温度依存性を調べた。その結果、電圧がない場合にはZrNClは温度の低下とともに抵抗値が増加し絶縁体的な振る舞いを示した。一方で、電圧を加える場合は電圧上昇に伴い、表面に電子が蓄積されるため、抵抗値が減少して金属的になり、低温では超伝導体となることが確認された。臨界磁場の温度依存性を測定することにより、この電子の集団はおよそ原子層２層分に相当する２ナノメートル程の厚みしかない究極の二次元超伝導体になることを実証した。さらに、この磁場下における抵抗の振る舞いを解析し、精密な磁束相図の作成に成功した。この磁束相図より、二次元超伝導に普遍的な現象と考えられる「乱れのない理想的な二次元超伝導では磁場下において超伝導は実現しない」ことが判明した。

　これらの研究成果は、二次元超伝導体の本質的な性質を解明する上の礎となるだけではなく、次世代のナノエレクトロニクス材料の研究や開発に重要な知見を与えるものとして期待される。野島准教授は、「磁場に強い伝導体をつくりたいという思いが今回の研究に繋がった。自然界のポテンシャルを人工的に自分の力で創り出すことにやりがいを感じている」と語った。