電磁気学はどれほどロマンチックなのでしょうか?超伝導とスピン波の間の「愛と憎しみ」を見てみましょう

著者: 羅慧謙 中国科学院物理研究所

固体材料には、常に互いに矛盾する 2 つの電磁気現象、超伝導と強磁性が存在します。しかし最近、一部の科学者は、この2つを融合させ、相互作用させることができたと主張している。何が起こっているのか？将来的にはどのような重要な用途があるのでしょうか?今日は、超伝導とスピン波の愛憎関係についてお話します。

超伝導に関しては、単に「超伝導」として理解することができます。つまり、ある材料は特定の温度以下で非常に強い導電性を示し、抵抗が完全にゼロになるほど強くなります。超伝導体は抵抗がゼロであるだけでなく、完全に反磁性でもあります。つまり、外部磁場に対する反応は負であり、完全に負です。完全に超伝導状態に入ると、すべての外部磁場が体から排出され、反磁性体積は 100% に達します。超伝導体の反磁性は最も強い。自然界の他の反磁性物質と比較するとその違いがわかります。たとえば、熱分解グラファイトの反磁性体積はわずか 0.04% です。私たちの日常生活でよく見かける水も反磁性ですが、反磁性の量はわずか0.001％、つまり10万分の1に過ぎません。

超伝導体の完全な反磁性

強磁性は磁石の磁性とも呼ばれますが、本質的には物質内の原子に磁気モーメントが存在することです。これらは均一に配列されて小さな磁区、つまり小さな磁石を形成します。すると、これらの磁区は再び整然と並びます。これを「自発磁化」と呼び、物質全体として強い磁性を持つようになります。最も強力な永久磁石はネオジム鉄ボロンで、約 0.5T に達し、一度キーを吸い込むとキーを引き抜くのが難しくなります。

なぜ超伝導と強磁性は「敵」であると言われるのでしょうか?これは、超伝導体がゼロ抵抗と完全な反磁性を実現できる重要な理由が、その内部の伝導電子が「ペアリングコヒーレント凝縮」を起こすためである。つまり、反対の運動量を持つ電子のペアが手をつないでおり、これらの電子ペアも共通のリズムで動いて全体を形成します。これらを説明するのに「マクロ的量子凝縮状態」という高尚な言葉があります。このマクロな量子凝縮状態を破壊する原因は磁場です。磁場が強すぎない場合、電子は集団的に磁場に抵抗できるため、完全な反磁性を簡単に達成できます。しかし、磁場が超伝導体に入ると、電子対はそれを打ち消す方法を見つけなければならないため、磁束線の反対方向に周回して磁場を強制します。磁場が強くなると、電子対は磁力の引力に耐えられなくなり、最終的には分離し、超伝導体のゼロ抵抗は完全に破壊されます。

そのため、強磁性材料における超伝導を研究することはほとんどなく、超伝導体と強磁性体を一緒に使用することもほとんどありません。しかし最近、オランダのデルフト工科大学の科学者たちは、強磁性体の構造の中に超伝導体を非常に創造的に配置し、さらに超伝導体の強い反磁性を利用して、物質内の磁気相互作用を変化させました。実験で観察された効果は、強磁性スピン波、つまり波動特性を持つ微視的スケールでの強磁性磁気モーメントのダンスを変化させることです。超伝導反磁性の介入により、波長と伝播方向が変化します。これはどうやって行うのですか?

彼らは、非常に一般的に使用されている強磁性材料であるイットリウムガーネットを選択しました。これは強い強磁性を持ち、低温でもスピン波をはっきりと見ることができます。彼らの「見る」方法も、ダイヤモンドカラーセンターイメージングを使用した非常に高度なものです。ダイヤモンドには少量の窒素原子空孔が含まれることが多く、磁場に対して非常に敏感であるため、光学的方法を使用してダイヤモンドのスペクトルの変化を観察し、その場所に磁場があるかどうか、および磁場の強度を判定することができます。簡単に言えば、透明なフィルムの上に細かいダイヤモンド結晶を散りばめて、写真を撮るだけです。この方法は少し「贅沢」に思えるかもしれませんが、思ったほど高価ではありません。

実験計画の概略図

次に、研究者らはイットリウムガーネットの表面を臨界温度が8.7Kのモリブデン-レニウム（MoRe）合金超伝導体の層で覆い、超伝導体の両側に金の橋を架けてダイヤモンド色中心検出アレイを橋渡しした。超伝導温度、つまり 10.7 K を超えると、研究者たちは、強磁性スピン波、つまり微視的スケールでの強磁性磁気モーメントのダンスである細い縞模様を観測しました。波の性質を持っているので、水の波紋のように見えます。その後、温度が 5.5 K まで下がると、モリブデン - レニウム合金は超伝導状態になります。このとき、強い反磁性によりスピン波が両側に圧迫され、超伝導体下のスピン波のパターンが疎になり、つまり波長が大きくなります。超伝導体の両側のパターンがわずかに密になり、つまり波長が短くなります。研究者らはまた、デバイスの構造を巧みに設計し、強磁性スピン波の方向が変化する可能性があることを発見した。たとえば、超伝導体は光を反射するようにスピン波を反射する「鏡」として機能します。反射されたスピン波は入射スピン波と干渉する可能性があり、これは非常に興味深いことです。

実験測定結果

研究者らは理論モデルと実験データに基づき、超伝導体のロンドン浸透深度も算出した。ロンドン浸透深度は、超伝導体の伝導を担う電子対の密度を測定する重要な物理パラメータに関連し、超伝導のメカニズムを研究するために使用できる。さらに、将来的には強磁性スピン波を制御するためのさまざまな超伝導「ミラー」、「トランスミッター」、「グレーティング」、「フィルター」、「光ファイバー」などを設計することが可能になり、磁束デバイスの制御に新たな扉が開かれるかもしれません。

しかし、超伝導はすべてのスピン波と互換性がないわけではありません。物質系が反強磁性である場合、反強磁性長距離スピン波の存在は通常は超伝導と競合しますが、短距離反強磁性変動は超伝導のペアリングを助ける可能性があります。言い換えれば、磁性原子がスクエアダンスで一斉に踊るのではなく、男性と女性が協力して小さな輪になってワルツを踊る場合、超伝導はやはりこのメロディーに夢中になるだろう。反強磁性ゆらぎの助けを借りた超伝導ペアリングは非常に高い温度に達することができます。私たちがよく知っている銅酸化物や鉄系高温超伝導体などの高温超伝導体は、このカテゴリーに属します。

超伝導と強磁性スピン波はもはや互いに矛盾しないので、将来的には、より便利で使いやすい電磁気部品を構築するために、より多くの超伝導と磁性の複合材料が期待できるかもしれません。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者名: 羅慧謙

査読者: 郭静、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司