主要成果
国立研究 institutes for Materials Science (NIMS) の材料ナノアーキテクチャ研究センター (MANA) の研究チームは、超薄型超伝導体において、原子1層分という極めて小さな段差が「量子ハイウェイ」として機能し、量子ボルテックス（量子渦）の移動を誘導できることを突き止めた。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倍以上容易に移動することが明らかになった。
技術・詳細
研究チームは、表面に規則的な原子段差を持つ超薄型超伝導体を対象に調査を行った。走査型トンネル顕微鏡（STM）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並んでいること、およびボルテックスがその段差上に配置されていることを直接的に確認している。この段差がレールのような役割を果たし、量子ボルテックスにとっての優先的な経路を形成している。
特に、磁場強度が約0.10から0.20 T（テスラ）の範囲にあるとき、ボルテックスは材料内の不完全性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」と呼ばれる挙動を示すことが判明した。また、最低温度域においては、古典物理学では不可能なエネルギー障壁を透過して移動する「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という特異な現象も観察された。
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ため、極めてエネルギー効率の高い電子デバイスへの応用が期待されている。しかし、磁場が材料に浸透すると、電流が循環する微小な領域である「量子ボルテックス」が形成される。これらのボルテックスが移動すると電気抵抗が発生し、超伝導デバイスの性能に悪影響を及ぼす。特に、2次元的な極薄超伝導体においてボルテックスの移動方向を制御することは、これまで非常に困難な課題であった。
今後の展望
今回の発見は、わずか原子1層分の表面構造が量子ボルテックスの挙動に強力な影響を与えることを証明した。温度や磁場を変化させることでこの誘導効果を調整できるため、極めて高い精度でボルテックスの動きを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、この原子スケール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となり、消費電力を低減したより効率的なデバイスの開発につながると期待される。
元記事: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261014072018.htm
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