柏谷聡研究室：最近の論文解説

CaAg_1−xPd_xPの表面超伝導の発見について

研究の概念図

トポロジカル物質はトポロジー(位相幾何学)によって特徴づけされる物質で、結果として特異な電子状態が物質の内部(バルク)や表面(エッジ)に出現することが知られています。この特徴的な電子状態が、通常の半導体や金属では実現できないほど特異で、その応用化による技術革新にも期待がよせられ盛んに研究されています。代表的なものとして「トポロジカル絶縁体」が挙げられます。この物質の内部は絶縁体ですが、その表面には光と類似の線形なエネルギー-波数依存性をもつことから質量をもたない高速応答可能な電子(Dirac電子)が出現することが知られています。
今回研究チームが着目したCaAg_1−xPd_xPは線ノーダルDirac半金属の候補物質で、物質の内部に類似のDirac電子をもちます。さらにその表面状態はドラムヘッド(和太鼓の皮部)型と呼ばれるエネルギー-波数依存性(図１)をもつことから、超高易動度の電子の状態密度が大きく、電子-電子相互作用も大きい状態が実現していることが期待されていました(つまり物質の内部にも高易動度な電子、表面にも超高易動度な電子が存在する)。CaAg_1−xPd_xPはこれまでこの有力な候補物質の中でもこの線ノードDirac電子(ノーダルリング状態)と表面状態のみを伝導状態としてもつ（つまりいわゆる"普通の"電子からの伝導の寄与分がほぼない）有望な物質として、山影先生が理論的に予測し、岡本先生が実際に合成に成功した物質になります[参考文献1]。
CaAg_1−xPd_xPは岡本先生らが初めて単結晶化に成功した物質で、これまでは磁場下での輸送特性から10⁵ ｃｍ²/Vsを超える高易動度な電子と10³ ｃｍ²/Vs程度の高易動度の正孔の2種類のキャリアが存在することが分かっていたものの、その由来が明らかにされていませんでした[参考文献2]。また、Pdをドープすることで超伝導を発現することが分かっていましたが、この超伝導状態がどのような超伝導かも明らかになっていませんでした。
超伝導体の多くは従来型超伝導と呼ばれ、２つの逆向きのスピン（磁気的性質）をもつ電子が格子振動（原子の集団振動）を通じてペアを組むことで実現すること明らかになっています。この機構以外で発現する超伝導体は、非従来型超伝導と呼ばれ、これまでの超伝導よりも磁場に強い超伝導体や、超伝導体になる温度(転移温度)が高くなることや、特異な量子性をしめすと期待されていることから新たな量子コンピュータへの応用も期待されています。ところが、そのような非従来型超伝導体の発見例は非常に稀であり、極端な電子状態をもつ電子系での超伝導体探索が現在も盛んにおこなわれています。今回のCaAg_1−xPd_xPは表面の極端に特異な電子状態を反映した新しいタイプの超伝導候補として期待されます。

[参考文献1] Yamakage, A., Yamakawa, Y., Tanaka, Y. & Okamoto, Y. Line-node Dirac semimetal and topological insulating phase in noncentrosy mmetric pnictides CaAgX (X = P, As). J. Phys. Soc. Jpn. 85, 013708 (2016).
[参考文献2] Okamoto, Y. et al. High-mobility carriers induced by chemical doping in the candidate nodal-line semimetal CaAgP. Phys. Rev. B 102, 115101 (2020).

図1：CaAgPの結晶構造、結晶写真と エネルギー-波数依存性

図2：電気2重層トランジスタによる キャリアー制御の実験配置

　本研究では、イオン液体を使ったゲート制御下での電気抵抗測定と、点接触トンネル分光法と呼ばれる超伝導特性評価測定から表面状態の調査を行いました。通常のゲート制御は半導体や絶縁体に対して行われる手法で、金属に対しては大量の電子によってゲート電圧の効果が内部までに届かず、ほとんど変化が起きません。今回はそれを逆手に取り、ゲート電圧が影響するところは表面近傍のみになることから、ゲート電圧によって変化するものが表面状態由来と特定することができます。磁気抵抗の詳細な解析を行うことで、易動度とキャリア密度を得ることができ、そのゲート依存性を見ると電子の表面密度のみが変化しました。このことから～10⁵ ｃｍ²/Vsの高易動度を持つ電子こそが表面に局在していることを明らかにしました(図３)。これは線ノード半金属に期待される電子状態を反映しているものと一致し、Ｐｄのドープによって表面由来の電子数が相対的に増加していることもわかりました。 点接触トンネル分光法では表面近傍の超伝導状態を調べることができます。通常の超伝導体では、電子がペアを組む時のエネルギーを反映したギャップ構造のスペクトル型(微分コンダクタンスの電圧依存性)を示します。ところが、今回のCaAg_1−xPd_xPではドーム型のブロードなピーク構造を示しました。このような構造は理論的にはp波超伝導体と呼ばれるような非従来型超伝導体がしめすとされるもので、このCaAg_1−xPd_xPが確かに通常の超伝導ではないことを示す証拠となりました。

図3：電気２重層トランジスタによるPdドープCaAgPのキャリアの移動度、キャリア濃度のゲート電圧依存性。少数キャリアである電子キャリアの濃度のみが大きく変化していることから、電子キャリアが表面に局在していることがわかる。

図4：トンネル分光によるPdドープCaAgPにおける超伝導ギャップ構造。図中インセットに示した非従来型超伝導のドーム型ピーク構造と類似のギャップ内構造が観察されている。