강한 자기장에서도 초전도가 파괴되지 않는 새로운 메커니즘을 발견 (NIMS 등)

물질 재료 연구기구(NIMS), 오사카대학(판대), 홋카이도대학(북대)의 3곳은 3월 5일, 대표적인 초전도체인 인듐을 원자 레벨의 두께까지 깎아서 초박막 결정을 이용하는 것으로 강한 자기장에서도 초전도가 파괴되지 않는 새로운 메카니즘을 발견했다고 공동으로 발표했다.

이번 성과는 NIMS 국제 나노 아키텍트 닉스 연구 거점 표면 양자 상 물질 그룹의 内橋 다카시 그룹 리더 (홋카이도 대학 대학원 연구원 물성 물리학 전공 객원 교수 (협력 분야 교수) 겸무) 동ㆍ 첨단 재료 분석 연구 거점 나노 프로브 그룹 요시자와 슌스케 주임 연구원, 도쿄 대학 물성 연구소의 야유 고이치 조교 (연구 당시 / 현 NIMS 첨단 재료 분석 연구 거점 싱크로트론 X 선 그룹 주임 연구원), 오사카 대학 대학원 공학 연구과 물리학 계열 전공의 사카모토 교수의 공동 연구팀에 의한 것이다.

초전도현상은 저온에서 물질의 전기저항이 소실되는 물리현상이며 양자역학 상태가 거시적 스케일로 나타난 현상이다.

MRI나 자기부상열차의 추진 시스템 등, 초전도는 벌써 많은 응용예가 있지만, 실은 과제도 산적해 있다.

초전도는 자기장에 의해 쉽게 망가진다는 점이다.

이를테면 MRI에 이용되는 초전도 마그넷에는 특별히 처리된 재료들이 사용되어 자신이 발생하는 자기장에 의해 초전도가 손상되지 않도록 고안되어 있다.

한편, 최근의 양자 기술의 발전에 의해서, 초전도체와 자성체를 조합한 '양자 머티리얼'의 개발이 중요해지고 있다.

특히 차세대 양자컴퓨터의 소자로 각광받고 있는 토폴로지컬 초전도체를 구현하려면 초전도체-자성체 하이브리드 구조를 채택할 것으로 유망하다.

토폴로지컬 초전도체란 연속변형에 대한 불변량이 존재한다는 토폴로지컬한 성질을 가진 초전도체를 말한다.

그 특징은, 그 물질중에 발생하는 초전도 전류의 소용돌이 중심에는 '마요라나 상태'라고 불리는 특이한 상태가 존재한다는 것이다.

이를 이용함으로써 양자정보를 장시간 보유하고 복잡한 연산을 할 수 있는 혁신적인 양자컴퓨터를 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그러나 초전도체와 자성체를 접근시키면 강한 '자장'(자기적인 상호작용)에 의해 초전도가 깨지게 된다.

그 때문에, 강한 자기장에서도 망가지는 일이 없고, 게다가 디바이스의 제작에 적절한 박막상의 초전도 재료의 개발이 요망되고 있었던 것이다.

그리고 최근이 되어, 그래핀과 비슷한 어떤 종류의 결정 구조를 가지는 층상의 초전도 물질이 자기장에 대해서 완강한 것이 판명.

특수한 물질이었기 때문에 보다 일반적인 초전도 물질에도 적응할 수 있는 새로운 지도원리의 발견이 요구되었다.

이전에 공동연구팀은 대표적인 초전도체인 인듐(원자번호 49의 금속) 박막을 그 결정성을 유지한 채 극한까지 얇게 만들어 원자급 두께의 2차원 결정을 제작한 바 있다.

그리고, 이러한 궁극적인 박막에 있어서 초전도가 망가지지 않는 것은 비록 자기장이 없는 환경이어도 공동 연구팀의 멤버들도 놀랄 정도로 그것을 세계에서 최초 실증하는 것에 성공했다.

이번 연구로 제작된 원자 수준의 두께의 인듐 초박막의 결정구조.두께는 벌크 결정의 1 유닛 셀에 상당한다.기판은 실리콘 단결정

그리고 이번에 그 실험 기술을 발전시켜, 극저온· 강자기장의 환경하에 대한 측정이 실시되었다.

그러자, 초전도가 특정 방향의 자기장에 대해서 완강해지는 것이 발견되었던 것이다.

(a) 초전도전이를 나타내는 면저항(단위면적당 저항치)의 온도의존성과 자장의존성. (b)복수의 시료를 이용하여 측정된 임계자장의 온도의존성. 임계자장은 종래의 이론치(5.5~5.8T)를 넘어 충분히 저온에서 16~20T에 이른다는 것을 알 수 있다.비교를 위해 시료면에 수직방향으로 자기장을 인가했을 경우의 임계자기장(10배로 확대)도 나타나 있다

이것은, 자성체로부터 받는 '자장'(자기적인 상호 작용)에 대해서도 완강해지는 것을 의미한다고 한다.

이전부터 생각되고 있던 메카니즘에 의하면 이 인듐의 원자층 결정의 임계 자장은 5.5~5.8T이지만, 이번에 얻은 임계 자장은 이 값을 크게 넘어 최대로 16~20T에 이른다고 추측되었다.

즉, 임계자기장이 약 3배로 증강되어 있음이 확인되었던 것이다.

거기서, 공동 연구 팀은 세계 최고 클래스의 성능을 가지는 광전자 분광 장치와 제일 원리 계산을 구사하고, 이 원자층 결정의 전자 상태와 스핀 상태의 상세한 분석을 실시.

그 결과, 전자의 운동 방향에 의존해 스핀의 방향이 달라, 전자의 운동 방향이 1회전하면 스핀의 방향도 1회전하는 특수한 상태를 취하고 있는 것이 판명되었다고 한다.

광전자분광측정과 제1원리계산을 통해 얻어진 시료 중 전자의 운동량(속도에 비례하는 양)과 스핀의 방향을 나타내는 데이터. 그림의 색이 짙은 부분에 전자가 많이 존재한다는 것을 나타내고 있으며, 중심에서의 붉은 화살표는 장소에서의 전자 운동방향이, 푸른 화살표는 스핀 방향이 표시되어 있다.전자의 운동 방향이 회전하면 스핀도 회전하는 것을 알 수 있다

이 상태는, 이른바 '라슈바형 스핀 궤도 상호 작용'이 존재하고 있는 것을 나타내고 있다고 한다.

라쉬바형 스핀궤도 상호작용이란 전자의 스핀과 전자 자체의 직진 운동 사이에 작용하는 상호작용의 일종이다.

2차원적인 성질을 갖는 시료에서는 시료면 내 방향으로 스핀을 향하게 하는 작용이 있다.

이번 인듐의 2차원 결정시료에서는 원자레벨 두께밖에 없기 때문에 시료기판면에 대해 수직방향의 퍼텐셜구배(전장)가 커져 이 상호작용이 나타난다는 것이다.

또 이런 상황에서 약간의 불순물이나 결함으로 인해 전자의 운동 방향이 구부려지면 스핀의 방향도 따라서 회전하게 된다.

이러한 현상이 실제로 시료 속에서 일어나고 있는 것이 전자의 운동방향의 구부러짐과 스핀의 '비틀림'이 거의 같은 빈도로 일어나고 있다는 점에서 확인되었다.

(a)이번 연구에 있어서, 전자의 운동 방향이 변화할 때마다 스핀이 회전하는 것이 나타난 모식도. (b)선행 연구의 스핀이 자기장에 대해서 수직 방향으로 고정되는 것이 나타난 모식도.

이 스핀의 '비틀기'는 초전도 상태가 된 전자에 있어서 큰 의미를 가진다고 한다.

즉, 자기장에 대해서 스핀의 방향이 빈번히 바뀌기 때문에 어느 때에는 에너지를 얻어도 또 어느 때에는 에너지를 손해보기 때문에 평균하면 에너지의 득실은 거의 없어진다.

이 득실이 거의 없어진다는 것이 매우 중요하다.
이번 시료와 같이 얇은 소재에 대해 초전도가 망가져 버리는 원인은 자기장에 의해서 전자의 에너지가 변화해 버리는 것이다.

즉, 에너지의 득실이 거의 없어진다고 하는 것은 강한 자기장이 있어도 초전도가 망가지지 않는다는 것이 되는 것이다.

사실 이런 효과는 일찍부터 알려져 있었다고 한다.

다만 실제로 원자 레벨 두께의 결정이 제작되어 스핀이 강제적으로 비틀리는 상황이 만들어짐 으로써 같은 메카니즘이라도 종래비로 수십배에서 1000배 정도나 강하게 작용하는 것이 이번에 밝혀졌던 것이다.

이번에 초전도체로 사용된 인듐은 매우 흔한 물질로 특수한 결정구조나 강한 전자간의 상호작용 등은 갖고 있지 않은 금속이다.

즉, 이 메카니즘은 범용성이 높은 일반적인 원리라고 할 수 있다고 한다.

또 공동연구팀에 따르면 최근 보고된 높은 임계자장 을 가진 층상 초전도물질과의 비교도 과학적으로 흥미 있는 부분이라고 한다.

모두 스핀의 방향이 전자의 운동방향으로 결정되는 것을 기원으로 하고 있지만 선행연구에서는 스핀이 한방향(자기장에 대해서 수직방향)으로 고정되는 정적인 효과가 원인이다.

그에 비해, 이번 연구에서는 그것과는 완전히 달라서 스핀이 비틀리는 동적인 효과가 원인이다.

공동 연구 팀은 향후, 이번 성과를 응용하고, 보다 높은 임계 자장을 가지는 초전도 박막의 개발을 실시한다고 하고 있다.

벌써 예비 실험에서는 다른 종류의 초전도체를 이용하는 것으로 자기장에 대해서 한층 더 완강한 성질이 관측되고 있다고 한다.

또, 실제로 원자 레벨 두께의 초전도체와 자성체로 이루어진 하이브리드형의 디바이스를 제작해서 토폴로지컬 초전도체를 실현한다고 하고 있다.

토폴로지컬 초전도체는 차세대 양자컴퓨터의 실현에 필수적인 양자 머티리얼이며, 현재 세계적인 연구개발이 진행되고 있다.

토폴로지컬 초전도체는 그 제작방법에 몇 가지 제안이 있고 이미 존재는 확인되었지만 대부분은 특수한 재료의 조합이 필요하다.

이번 성과는 보다 일반적인 재료로 토폴로지컬 초전도체를 실현하는 길을 열어줄 것이다.



(-17%)
http://stylec.co.kr/shop/item.php?it_id=1615282354&cid=3156541440

HP 3636 프린터 가정용 스마트폰 사진 인화기