カゴメ格子構造を有する物質において、不純物に強い新しい非従来型超伝導を発見東北大学ら

東北大学は2023年2月14日、同大学と東京大学、仏エコール・ポリテクニーク、米カリフォルニア大学サンタバーバラ校の共同研究チームが、二次元カゴメ格子構造を有する新規超伝導体CsV₃Sb₅において、不純物に強い非従来型超伝導が実現していることを発見したと発表した。

CsV₃Sb₅は、2020年に発見された完全なカゴメ格子を有する超伝導体だ。カゴメ格子とは、カゴの網の目状に原子が配列した状態を指す。

（a）c軸方向から見た CsV₃Sb₅の結晶構造
（b）CsV₃Sb₅の結晶構造の三次元図

同構造を有する金属物質では、超伝導状態や特殊な電子状態が期待されている。一方で、これまでに発見されていたカゴメ格子構造を有する物質は多くの場合絶縁体だった。

CsV₃Sb₅では、超伝導転移温度より高い温度にてボンド秩序（電荷秩序。電子が隣接する原子間を飛び移る大きさに偏りが生じ、空間的に増減のパターンが形成される状態）が発現する。ただし、超伝導発現機構とボンド秩序との関連性はこれまで明らかになっていなかった。

CsV₃Sb₅におけるボンド秩序の形成パターン

今回の研究では、不純物が超伝導状態に与える影響（不純物効果）に着目した。電子線照射により不純物量を制御したCsV₃Sb₅単結晶試料に対し、常圧および高圧下での電気抵抗測定から超伝導転移温度の変化を調べた。

また、超伝導ギャップ構造を反映する磁場侵入長と呼ばれる物理量の温度依存性を測定し、不純物による超伝導ギャップ構造への影響を調べた。

その結果、CsV₃Sb₅の超伝導転移温度は、不純物量が少ない領域で大きく抑制されるのに対し、その後は不純物量を増加しても転移温度がほとんど抑制されないことが判明した。

従来型のBCS超伝導体や、非従来型の銅酸化物高温超伝導体では見られないタイプの不純物応答となっている。

また、磁場侵入長測定の結果から、超伝導ギャップが異方的な構造を有することも判明した。これらの結果は、格子揺らぎよりも、ボンド揺らぎによる超伝導において理論的に期待される振る舞いに近い。

(a)CsV₃Sb₅における不純物による超伝導転移温度の抑制
(b)CsV₃Sb₅における不純物による超伝導ギャップ構造の変化

以上から、CsV₃Sb₅は非従来型であるものの、不純物に強い超伝導状態にあることが判明した。

今回の研究結果は、カゴメ格子物質に期待されている超伝導状態や特異な電子状態を理解する上で重要な知見となるものとみられる。

カゴメ格子構造を有する物質において、不純物に強い新しい非従来型超伝導を発見　東北大学ら