日本築波大學計算科學研究中心的小泉裕康副教授成功地在理論上闡明瞭用目前廣泛應用的超導標準理論無法解釋的一個現象，即當超導體在磁場中由超導狀態相變爲普通的金屬狀態時，超導電流不會產生焦耳熱，而是消失。此次研究提出的新理論表明，應該認爲「超導電流是透過貝里連接形成的集假體式所產生的迴線電流集合」。另外他還發現，拉什巴型自旋軌域相輔作用可能對貝里連接的產生非常重要。
目前的超導標準理論經常被指出在解釋超導電流方面存在問題。此次的成果爲應該如何變更基礎理論以解決這個問題提供了一個指南。隨着標準理論改變，還有望明確長期以來一直不清楚的銅氧化物高溫超導的機制。另外，還有助於實施利用超導體作爲量子位元、具備糾錯功能的量子電腦。
研究背景
置於磁場中的超導體會表現出名爲麥士納效應的現象，即會從内部消除磁場。由於這種特性，磁鐵與超導體會相互排斥，因此可以使超導體懸浮於磁鐵之上（圖1）。產生麥士納效應時，爲消除外部磁場，超導體表面在沒有電阻的環境下流過量電流（超導電流）。實驗證明，這種超導電流在超導體由超導狀態相變爲普通的金屬狀態（常導狀態）時不會產生焦耳熱，而是消失了。不過，對於這種現象，此前一直沒有明確的解釋。
圖1：在麥士納效應下懸浮於超導體之上的磁鐵
目前，解釋超導現象以BCS理論爲標準理論。該理論認爲，形成自旋方向相反的電子對（庫柏對）是出現超導的終極因數，電子對的流動、即超導電流可以在沒有電阻的情況下流動（圖2左）。另外，由超導狀態相變爲常導狀態時，電子對在相變點附近被破壞，變成普通的電子，因此這些電子的電流會產生焦耳熱。不過，這個解釋與實驗結果矛盾，成爲標準理論存在的問題之一。
圖2：標準理論與新理論的差異
研究内容與成果
此次的研究從理論上研究了超導電流的能量與磁場的能量在由超導狀態相變爲常導狀態時會如何變化。理論物理可用能學會建立用數學公式表達的理論，並研究其與已知實驗結果的恆定性，然後預測新的實驗結果。此次基於這樣的研究得出以下結論：如果認爲「超導電流是貝里連接形成的集假體式所產生的迴線電流的集合」，那麼就與實驗結果高度一致，由此作爲新理論提出（圖2右）。
這種電流是受拓撲保存的，會產生與被稱作「拓撲量子數」的整數對應的電流，隨着該整數變爲零，就會發生電流的不連續消失。這樣就可以解釋爲何超導電流不產生焦耳熱而是消失。該結果意味着，需要徹底改變標準理論的超導電流生成機制。另外還表明，超導電流起源於透過貝里連接形成的集假體式的說法比較有說服力，拉什巴型自旋軌域相輔作用可能在貝里連接的形成中發揮了重要作用。
未來展望
今後需要應答此次研究提出的新理論預測的迴線電流。實際上，各種實驗均表明，銅氧化物高溫超導體在超導相的高溫側存在名爲「僞間隙相」的超導相前驅物相，前驅物相中存在迴線電流。這很可能就是本次研究提出的迴線電流。理論上預測，迴線電流可以用於量子電腦的量子位元，透過將環道電流作爲量子位元，或許能實施可糾錯的量子電腦。
論文資訊
題目：Reversible superconducting-normal phase transition in a magnetic field and the existence of topologically-protected loop currents that appear and disappear without Joule heating
發表期刊：Europhysics Letters
DOI：10.1209/0295-5075/131/37001
文：JST客觀日本編輯部
