大阪大学

東京大学大学院理学系研究科／附属知の物理学研究センター

概要

大阪大学大学院理学研究科物理学専攻大学院生の横井雅彦さん（当時博士後期課程3年）、荒川智紀助教、新見康洋准教授らの研究グループは、同研究科宇宙地球科学専攻の青山和司助教、東京大学の福山寛名誉教授（当時理学系研究科物理学専攻教授）、東京大学理学系研究科附属知の物理学研究センターおよび物理学専攻の小林研介教授と共同で、原子レベルに薄い超伝導体NbSe₂微結晶に、表面弾性波と呼ばれるGHz帯域の振動外場を加えることで、超伝導状態にも関わらず、ゼロ電流近傍で抵抗が負になる現象を発見しました。

2005年の単層グラファイト（グラフェン）の発見以降、粘着テープを用いることで、簡便に原子層レベルで薄い「原子層薄膜」が作製できるようになりました。最近では、磁気をもつ強磁性や、抵抗値がゼロ（ゼロ抵抗）を示す超伝導も原子層薄膜で実現することが実験的に明らかになっています。このような原子層薄膜は通常の薄膜成長と異なり、基板と薄膜との原子配列の整合性を考慮する必要がないため、様々な基板を用いることが可能です。

そこで研究グループは、超伝導体NbSe₂原子層薄膜を、圧電基板LiNbO₃に転写し、LiNbO₃上に準備した櫛型電極に高周波電場をかけることで、格子の歪みに起因した「表面弾性波」と呼ばれるGHz帯域の波を、原子層超伝導体に照射しました（図1上図）。その結果、通常ゼロ抵抗が観測される温度（超伝導転移温度TC）以下で、図1下図に示すように、低温になるにつれて、また表面弾性波のパワーを強くするにつれて負抵抗の大きさが増大することを発見しました。

図：（上図）本研究で用いた原子層超伝導体NbSe₂薄膜と表面弾性波を組み合わせたデバイスの模式図、及び光学顕微鏡像。（下図）観測された負抵抗の温度依存性。

半導体でも負性抵抗は実現しますが、半導体で観測される負性抵抗は、電圧と電流の微分値が負になるものの、抵抗の絶対値自体は負にはなりません。一方、今回本研究グループが発見した負抵抗は、抵抗の絶対値自体が負になるという新しい現象です。この技術は、周期的な外場を駆動することで、所望の量子状態を実現できる「フロッケ・エンジニアリング」への適用や、超伝導体を用いた量子コンピュータに新機能を付与することも期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Science　Advances」に、2020年8月22日（土）午前３時（日本時間）に公開されました。

詳細については、大阪大学 のホームページをご覧ください。