東京大学と東北大学の研究グループは2018年2月22日、セラミック半導体の一種で、かつ2次元物質と呼ばれる層状窒化物・塩化窒化ジルコニウム（ZrNCl）と二流化モリブデン（MoS2）の表面に厚さ1～2ナノメートルで、乱れの極めて少ない2次元超伝導を実現したと発表した。さらにこの2次元超伝導体に磁場を加えると、低温における超伝導状態と絶縁体状態という2つの極低温での量子状態の間に、さらに2つの特殊な量子状態が現れることを発見し、それら4つの量子状態を連続的に磁場で制御することにも成功したという。今回の研究成果は、量子計算へ向けた超伝導デバイスの実現に寄与するものとしている。
同研究グループは、セラミック半導体の一種であるZrNClとMoS2の高品質な単結晶を、厚さ20ナノメートルほどに薄膜化したのち、その表面に電界効果トランジスタの一種である電気二重層トランジスタ（EDLT）構造という、絶縁層にイオン液体を用いる特殊なデバイスを作製した。このEDLT構造では、強電界によって電子が単結晶表面に蓄積しているため、蒸着など従来の方法によって作製される超伝導薄膜に比べて乱れの影響が極限まで少なく、かつ厚さ1～2ナノメートルの超極薄の理想的な2次元電子系を人工的に実現できる。今回の研究では、このトランジスタ構造で2次元超伝導体を作製した。
さらに、面に対して垂直方向に磁場をかけた場合の磁気抵抗の温度依存性を測定することで、ON（超伝導状態）からOFF（絶縁体状態）の間に、量子金属状態と量子Griffiths状態という2つの特殊な量子状態を発見した。これらの量子状態は2次元性と量子ゆらぎに加え、試料中にわずかに残る乱れの組み合わせ効果により初めて実現したもので、従来型の乱れの多い超伝導薄膜では観測されなかった。同研究グループは、これらの特殊な量子状態を磁場によって精密に制御することにも成功し、包括的な磁場－温度相図を構築した。
今回の研究により、乱れが極めて少ない原子層厚さの2次元超伝導体は、従来型の乱れの多い超伝導薄膜では見られなかった新規量子状態を示すことが明らかになった。今後、これらの研究成果は、新たな高結晶性2次元超伝導体の研究分野の開拓に寄与するだけでなく、将来的な超高速・量子計算のための超伝導素子や超伝導集積回路といった量子効果を利用した最先端ハードウェアを開発する上で重要な役割を果たすとしている。
