主要成果
国立研究 institutes for Materials Science (NIMS) の物質ナノアーキテクチャ研究センター (MANA) の研究チームは、超薄膜超伝導体において、原子1層分という極めて小さな高さの段差が、量子ボルテックス（量子渦）の移動を誘導する微視的なレールの役割を果たすことを明らかにした。4端子抵抗測定を用いた実験の結果、中間的な磁場条件下において、ボルテックスは段差を横切るよりも段差に沿って移動する方が1,000倍以上容易であることが確認された。
技術・詳細
研究チームは、表面に規則的に配置された原子段差を持つ超薄膜超伝導体を対象に調査を行った。走査型トンネル顕微鏡を用いて原子レベルで表面を観察し、段差が互いに平行に走っていること、およびボルテックスがそれらの段差上に位置していることを直接的に確認している。
特に注目すべき挙動として、磁場が約0.10から0.20 T（テスラ）の範囲にあるとき、ボルテックスが材料内の欠陥に捉えられることなく、段差に沿って自由に流れる「一次元ピンニングフリー・ボルテックスフロー」という現象が特定された。また、極低温下では、古典物理学では不可能なエネルギー障壁を量子オブジェクトが通り抜ける「量子トンネル効果」によってボルテックスの運動が支配されることも観察された。これらの誘導効果は、温度や磁場を変更することで調整可能であるという。
背景・業界の文脈
超伝導体は、臨界温度以下に冷却されると電気抵抗ゼロで電流を流せる特性を持つため、超省エネな電子デバイスへの応用が期待されている。しかし、磁場が浸透した際に形成される小さな量子構造である「量子ボルテックス」が移動すると、電気抵抗が発生し、デバイスの性能に悪影響を及ぼす。特に、極めて薄い二次元超伝導体において、これらのボルテックスの移動方向を制御することはこれまで困難な課題であった。
今後の展望
原子1層分という微細な表面構造が量子ボルテックスの動きに強力な影響を与えることが証明されたことで、原子段差を天然のガイドレールとして利用し、ボルテックスの挙動を極めて精密に制御できる可能性がある。実用化にはさらなる開発が必要だが、このアプローチによって将来の超伝導技術におけるボルテックスの移動や熱流の管理が可能になれば、消費電力を大幅に削減した高効率なデバイスの実現につながると考えられている。
元記事: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261014072018.htm
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