在超导体中实现自旋排列的控制 - -期待应用于高速、低功耗的超导存储器等-
在超导体中实现自旋排列的控制 - -期待应用于高速、低功耗的超导存储器等-
重点
发现超导体中磁通量子决定自旋方向的现象 通过操作磁通量子的方向和配置成功控制了自旋排列 期待高速低功耗超导电路在存储器功能等方面的应用可能性
概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称“产综研”)电子光基础技术研究部门【研究部门长泽彰仁】超导电子集团石田茂之主任研究员、荻野拓主任研究员、伊豫彰高级主任研究员、永崎洋首席研究员、 一般财团法人综合科学研究机构( CROSS )、维也纳理工大学、株式会社imura Japan (以下称为“imura Japan”)在铁系磁性高温超导体EuRbFe4As4的超导和铕( Eu )的磁性共存的状态下，根据磁通量子的方向而旋转 一般来说，超导和磁性是相互竞争、不相容的关系。 产总研最近发现的EuRbFe4As4具有在高温下两者共存的极其罕见的性质，作为可能发生新现象的物质备受关注。 此次发现的现象表明，超导体内的磁通量子信息能够反映在自旋信息中，有可能应用于记忆功能等。 超导器件的存储功能也被列举为近年来备受瞩目的超导量子计算机的开发课题之一，有望成为实现高速低功耗全超导电路的关键技术。 另外，该技术的详细情况将于2021年9月6日(美国东部标准时间)在线刊登在美国学术杂志《国家科学研究院》(美国科学院院报)上
此次证实的基于磁通量子的自旋排列控制概要
开发的社会背景 近年来，基于带来超越现有技术的性能·功能的量子力学原理的技术(以下称为“量子技术”)备受关注。 作为一个例子，在期待超高速运算的量子计算机中，将超导量子比特用作算子的超导量子电路备受瞩目。 另一方面，利用磁性(自旋)的量子技术领先于存储器功能等，在超导量子电路中还没有确立。 如果超导材料能够利用磁性，就有可能创造出超导存储器，从而提高量子计算机的性能，创造出现有存储器所没有的新功能，这一点值得期待。 但是，超导和磁性具有相互竞争的性质，在同一物质中两者共存，很难发挥作用。 极少有超导和磁性共存的物质(以下称为“磁性超导体”)。 但是，现有的磁性超导体只有临界温度( Tc )非常低，达到1 K (开尔文:绝对温度)以下，或者即使Tc为10 K级，施加不足1 T (特斯拉:磁场单位)的弱磁场也会失去超导性的报告。 要想将隐藏能够利用超导和磁性两种功能的可能性的磁性超导体实际用作器件材料，需要探索Tc高、即使施加磁场也不会失去超导性的物质。
研究的经过 产综研和伊斯兰日本致力于开发具有更高Tc的新高温超导体，2016年发现了包括铕( Eu )在内的铁系磁性高温超导体EuRbFe4As4。 发现了EuRbFe4As4具有37 K的高Tc，同时在15 K以下是欧盟磁性共存的磁性高温超导体。 在如此高的温度范围内超导和磁性共存的物质极为罕见，不仅作为学术研究对象很有意思，还期待作为具有超导和磁性两种功能的器件材料的应用。 因此，详细调查了EuRbFe4As4在超导和磁性共存状态下的物性。 另外，本研究是在独立行政法人日本学术振兴会的科学研究费补助金“19K15034(2019~2020年度)、19H05823(2019~2023年度)、16H06439(2016~2020年度)”的支持下进行的
研究的内容 EuRbFe4As4具有由承担超导作用的铁砷( FeAs )层和承担磁性作用的Eu层层叠而成的晶体结构。 其磁性结构在各欧盟层为自旋方向一致的强磁性排列，其自旋方向一边每次旋转90度一边层叠成螺旋状(以下称为“螺旋磁性”)。 由于螺旋磁性整体上抵消了内部磁场，因此被认为比较容易与超导共存。 另一方面，施加外部磁场后，磁通量子侵入超导体内部，欧盟的自旋从螺旋磁性重新排列为强磁性。 以前认为，如果从该状态使外部磁场恢复为零，就会重新排列成与超导相容性好的原来的螺旋磁性(图1 )。 这次，制作了EuRbFe4As4单晶试料，在综合科学研究机构( CROSS )的协助下，在大强度质子加速器设施( J-PARC )、物质生命科学实验设施( MLF )的特殊环境微小单晶中子结构分析装置( SENJU )中进行了磁场中子磁衍射实验 。结果表明，一旦向EuRbFe4As4施加强磁场，之后即使磁场归零，试料中的大部分自旋仍保持铁磁性排列。 这表示，在EuRbFe4As4中，即使外部磁场为零，磁通量子也能被试料内捕捉，自旋通过该磁通量子进行了强磁性排列。 我们成功地捕捉到了本来应该与超导不相称的铁磁性排列被超导产生的磁通量子稳定化的新现象。
图1 EuRbFe4As4自旋序列的以往预测和此次发现的现象另外，产业综合研究所和维也纳理工大学认为，通过利用这一现象，可以使用磁通量子来控制自旋的方向。 通过向超导体适当施加外部磁场，可以控制超导体内的磁通分布。 例如，一旦施加向下的磁场后施加向上的磁场，如图2所示，可以在超导体内的中央部和端部生成相反方向的磁通量子。 由于自旋的方向由磁通量子的方向决定，因此在向上(向下)磁通量子分布的区域，自旋为向上(向下)的铁磁性排列，在其边界区域没有磁通量子，因此将采用原来的螺旋磁性。 另外，各区域的宽度和位置由外部磁场的施加过程和强度决定。 通过此次发现，由于图2所示的状态即使去除外部磁场也能保持，因此能够实现具有任意自旋排列的超导体。 进而，如果从图2的状态加强向上的外部磁场，则向上磁通量子的区域向中央部扩大，向下磁通量子的区域变窄。 这样，自旋排列的控制也成为可能。
图2通过外加磁场生成的磁通量子的分布和欧盟的自旋排列的一个例子
使用这样的模型，计算了EuRbFe4As4的磁化(由试料内部的磁通量子和自旋的方向和分布决定)对外部磁场的响应(图3左)。 黑线是磁场在±1 T范围内变化时磁化的外部磁场依赖性(箭头表示磁场的施加过程)。 可知从足够大的正(向上)磁场下降到零时(箭头1 )，磁化值不变化。 这与试料整体中自旋保持向上的强磁性排列相对应。 从负磁场返回零时(箭头3 )，为向下强磁性排列。 蓝、绿、橙、红线是在从正磁场向负磁场变化的过程(箭头1、2 )中，分别在0、-0.2、-0.5、-1 T中，如箭头5~8所示，切换到提高磁场的过程时的计算结果。 由于折返磁场的条件不同，即使是相同的外部磁场，试料中的磁通量子的分布也不同，因此显示出了行为发生较大变化的结果。 因此，在实际测量磁化时，实验结果(图3右)与模型计算非常一致。 这表明磁性超导体内的自旋排列由磁通量子的方向和排列控制。理论上提出了可以将超导体内的磁通量子信息(方向和位置)反映到自旋信息中，但这次成功地使用磁性超导体进行了证实。 该成果有可能应用于存储器功能等，有望成为实现期待高速、低功耗的全超导电路器件的关键技术。
图3关于磁化的磁场依赖性的模型计算和实验结果的比较
今后的计划 为了弄清这次发现的现象的机理，在实施更详细的实验的同时，还进行了理论的构筑。 另外，为了应用于超导器件，还将开发磁通量子的方向和位置的精密控制等要素技术。
用语说明 ◆铁系磁性高温超导体 由于含铁层状化合物显示超导的物质群具有高临界温度，因此被称为铁系高温超导体。 其中，含有显示磁性的层(这里指欧盟层)的物质群被分类为超导和磁性共存的磁性超导体，从基础和应用两方面受到关注。
◆超导 物质处于低温时，在一定温度(临界温度)下电阻会变化为零的状态。 这种物质被称为超导体，应用于医疗用MRI和直线电机车等。 超导体显示出排除磁场的性质(迈纳效应)，但是磁场变强会侵入超导体内部。 超导体具有侵入的磁场不均匀，作为磁通量子离散分布的特征。
◆磁性 物质中的原子所具有的自旋方向有时会在物质整体上对齐。 根据自旋的排列方法，例如自旋朝向相同方向时称为强磁性，彼此朝向相反方向时称为反强磁性，排列成螺旋状的被称为螺旋磁性。
◆磁通量子 通常，磁通取连续的值，但是如果将磁通封闭在超导环的内侧，则只能取φ0 = h/2e(h :普朗克常数，e :电荷素量)这一量子力学物理常数的整数倍的值。 这称为磁通的量化，其最小单位φ0称为磁通量子。
◆旋转 电子所具有的量子力学自由度之一，类似自转的性质称为自旋。 自旋是磁性的产生源，有向上和向下两种自旋自由度。
◆超导量子计算机 传统的计算机使用“0或1”的两种状态进行计算，而量子计算机利用量子力学的重叠状态(“既是0也是1”的状态)进行计算。 在进行量子计算的电路的基本构成要素中使用超导量子比特的被称为超导量子计算机。
◆超导量子位 量子计算中处理的信息的最小单位称为量子比特。 在量子比特的实现中，列举了各种各样的候补(半导体、光、离子等)，利用超导元件的比特被称为超导量子比特。
◆超导量子电路 由超导量子位、超导谐振器等超导元件构成的进行量子计算的电路。
◆临界温度 在超导体中，超导状态和常传导状态(产生有限电阻的金属状态)边界的温度。
◆内部磁场 伴随着磁性在物质中产生的磁场。 在铁磁性中，由于自旋朝向相同的方向，所以内部磁场较大，在反铁磁性和螺旋磁性中，通过自旋间的抵消，内部磁场为零。
◆单晶试料 试料中的任何部分晶轴一致的被称为单晶试料。 对于如EuRbFe4As4这样的层状化合物，由于层内方向和层间方向的物性不同，因此精密的物性测量需要单晶试料。
◆大强度质子加速器设施( J-PARC ) 是国立研究开发法人日本原子能研究开发机构和大学共同利用机构法人高能加速器研究机构共同在茨城县东海村建设的具有世界最大规模波束强度的质子加速器群和实验设施群的总称。 J-PARC的名字来源于“日本蛋白质加速器研究组合”。 利用加速的质子撞击原子核靶时产生的中子、μ、k介子、中微子等二次粒子，进行了物质生命科学、原子核素粒子物理学等最先进的学术研究和产业利用。 在J-PARC内的物质生命科学实验设施( MLF )中，可以利用世界最高性能的脉冲中子和μ束进行实验。
◆中子磁衍射实验 中子不带电荷，但有自旋。 中子线照射到物质上后，会通过物质中的自旋而散射，因此可以得到物质内部磁性的信息。