微弱な電気信号が欠けていた手掛かりを示す
エネルギーが最大70ミリ電子ボルトに達する電子対が、約40年にわたる謎に新たな手掛かりをもたらした。銅酸化物超伝導体はなぜ、従来型の超伝導体よりはるかに高い温度で電気抵抗を失うのか。電流の微小な揺らぎを測定した研究者らは、結晶表面に沿ってそのエネルギーが変化しても、電子対の形成が「擬ギャップ」と呼ばれる謎めいた特徴のエネルギーに追随することを見いだした。
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ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンのミラン・アラン氏とユトレヒト大学のインマル・スワルト氏が率い、ライデン大学などの研究機関の研究者も参加したチームは、BSCCOとして知られる銅酸化物材料を調べた。この成果は、擬ギャップと電子対の形成を結び付けるとともに、超伝導に必要なもう一つの条件、すなわち電子対が一体となって振る舞うことに注目を促している。
ユトレヒト大学の研究発表によると、ジアセン・ニウ氏らの研究「銅酸化物高温超伝導体における擬ギャップと電子対形成エネルギーの等価性」は、2026年11月5日にScience誌に掲載された。DOIは10.1126/science.adt3444。この実験は、より高い温度で抵抗なく電気を流す材料を探す研究に、より精密な目標を与える。
擬ギャップとは
BSCCOは、銅酸化物材料の一群である銅酸化物超伝導体（キュプレート）に属する。これらの材料が超伝導になる温度より高い温度では、あるエネルギー範囲で利用可能な電子状態が少なくなることが測定で示される場合がある。物理学者は、この部分的な不足を擬ギャップと呼ぶ。電子は材料内に存在したままだが、その振る舞いが測定器で検出できるものを変化させる。
この現象については、何十年にもわたり大きく二つの説明が競い合ってきた。電子が電荷密度波のようなパターンを形成し、電荷が繰り返し構造を作る可能性がある。あるいは、材料が抵抗なく電流を流せるようになる前から、電子が超伝導と結び付く対状態であるクーパー対を形成している可能性もある。
この違いは、研究者が何を改善すべきかを左右する。電子対がすでに存在するなら、それらを共通の量子状態にまとめることが中心的な課題となる。今回の測定は、擬ギャップの中心に電子対形成があることを示す一方、電荷パターンと電子対形成が共存する可能性も残している。
個々の電子ではなく電子対を捉える
研究者らはショットノイズを測定して電子対を探した。ショットノイズとは、電荷が個別の量として到着するために生じる微小なランダム揺らぎだ。日常的な尺度では電流は滑らかに見えるが、十分に感度の高い装置なら、その微視的な不均一さを検出できる。
研究を率いた一人のアラン氏は、電荷の原理を屋根に当たる雨粒にたとえて説明した。
雨粒を想像してください。その粒が突然、2倍の重さになったら、ノイズは大きくなります
電子対は個々の電子の2倍の電荷を持つ。その寄与によって電流のノイズが変化するため、検出可能な電子状態の数の変化だけに頼らず、電子対形成を特定できる。
チームは走査トンネル顕微鏡を使った。これは、非常に鋭い探針と試料の間に電流を流す装置だ。探針を動かすことで表面の異なる場所を測定し、電圧を変えることで調べるエネルギーを選んだ。これらを組み合わせ、局所的な擬ギャップと電子対形成の信号を比較できるようにした。
微弱な信号を捉えるための4年間
BSCCOは、測定が難しい材料だった。従来型の超伝導体では、電子対形成によってショットノイズが明瞭に2倍になることがある。今回の銅酸化物の実験では、電子対に加えて個々の電子も電流に寄与し続けるため、余分に生じるノイズははるかに弱かった。
学生らはその信号を取り出すために、電子回路の改良に約4年を費やした。装置は研究者自身が開発・製作し、単独の電子と電子対の寄与を見分けるのに必要な感度を実現した。
アラン氏は装置開発の苦労をこう振り返った。
一つの秘策があったわけではありません。電子回路を丹念に作り上げたのです
研究者らは、表面の原子の動きなど、電流の揺らぎを生む別の要因も調べなければならなかった。余分なノイズがどこで生じるのか、場所によってどう変わるのか、磁場にどう反応するのかを突き止めることが、実験に欠かせない要素となった。
電子対形成のエネルギーは擬ギャップに追随
ビスマス、ストロンチウム、カルシウム、銅、酸素からなるBSCCO結晶を、絶対零度より数度高い温度まで冷却した。調べた各地点で、電子対形成に伴う余分なノイズは、その地点の擬ギャップエネルギーに現れた。擬ギャップエネルギーが変化する場所では、電子対形成の信号もそれに追随した。
2025年3月19日、ユトレヒト大学の研究者マイアレン・オルテゴ・ララサバル氏はAPSグローバル物理学サミットで、最大70ミリ電子ボルト（meV）に達する電子対形成エネルギーについて発表した。APSの発表要旨には、電子対形成エネルギーが材料内の場所によって変化することも記され、関連するプレプリントとしてarXiv:2409.15928が挙げられている。
ミリ電子ボルトは、原子や電子のスケールの過程を表すエネルギー単位だ。ここでいう電子対形成エネルギーは、電子対状態の強さを示す。重要な成果は、このエネルギーと擬ギャップが密接に一致し、場所ごとの変化も一致していたことだ。
化学組成が異なる試料でも同じ関係が確認された。これにより、単一の場所だけで見つかった一致ではなく、表面の複数の場所と複数の試料にまたがる関係が示された。
磁場による追加検証
研究者らは最大6テスラの磁場をかけ、余分なノイズの起源を調べた。磁場が強まり電子対形成の寄与が抑えられると、ノイズは個々の電子に伴う水準に近づいた。一方、電子状態が減少する大まかなパターンはほぼ残った。
この反応は、余分なノイズと電子対形成の結び付きを裏付けた。擬ギャップを説明するには、材料内に存在する電荷構造だけでなく、電子対形成も考慮する必要がある。
研究を率いたユトレヒト大学のスワルト氏は、結論をこう述べた。
擬ギャップの詳しい説明がどのようなものであれ、電子対形成を含める必要があります
電荷密度波は、電子対状態と絡み合っている可能性がある。今後の課題は、これらの振る舞いがどう結び付き、超伝導が始まる温度にどう影響するかを説明することだ。
電子対の形成は第一歩にすぎない
超伝導には、電子対の形成と位相コヒーレンスの両方が必要だ。位相コヒーレンスとは、電子対が材料全体で秩序ある量子状態を共有することを指す。ダンスフロアにたとえると、それぞれのカップルが息を合わせて踊れても、集団全体には共通のリズムが必要ということだ。
従来型の超伝導体では、電子対形成と集団的な協調が臨界温度（Tc）で同時に現れる。今回の銅酸化物の成果は、より大きなエネルギー尺度で電子対が形成され、その後さらに冷却されて初めて集団的なコヒーレンスが現れるという、異なる段階を支持している。
スワルト氏は、測定から浮かび上がる見方を次のように説明した。
まず形成済みの電子対があり、その後、より低い温度になって初めて位相コヒーレンスが生じる、というのが見えてくる像です
Tcを引き上げようとする研究者にとって、これは電子対同士の協調を左右する要因に注目することを意味する。材料がコヒーレンスも維持できれば、強い電子対形成によって転移温度を高める余地が生まれる可能性がある。そのため、電子対形成の強さと協調的な振る舞いの始まりを、それぞれ分けて調べる必要がある。
室温超伝導は目標、測定にはなお課題
大学の発表は、電子対形成の強さが室温超伝導の探索に有望だとしている。スワルト氏は、電子対を結び付ける相互作用は室温でも保たれるほど強く、位相コヒーレンスがボトルネックとなる可能性が高いと述べている。
スワルト氏は発表で、この解釈を次のように説明した。
電子対を結び付ける『のり』は、室温でも対を保てるほど強いのです
ノイズの直接測定は極低温で行われた。温度が上がるとこの手法の感度は低下し、擬ギャップが通常調べられるTc以上の温度では、チームは電子対形成の信号を測定できなかった。このより高温の領域で直接測定することは、今後の実験目標だ。室温に関する解釈は、測定された電子対形成エネルギーに基づいている。
アラン氏も、この研究には一つの要因の調整ではなく、複数の物理効果が関わると見ている。より高い温度でコヒーレンスを実現するには、電子対形成、電荷パターン、その他の材料特性が互いにどう影響するかを理解する必要がある。
今後の実験で電子対形成と協調を切り分ける
スワルト氏は、より細かな空間情報を含むノイズマップを作成し、最終的には位相コヒーレンスを直接検出する装置を開発したいと考えている。両方の性質を個別に測れば、電子対がどこで現れ、どこでコヒーレンスが生じ、超伝導転移の際に何が変化するのかが分かる可能性がある。
より高温での測定も優先課題だ。ノイズ測定法をTc以上に拡張できれば、擬ギャップと最も密接に関係する温度範囲で電子対形成を直接調べられる。これらの開発の完了時期は示されていない。
この研究は、すでにいくつかの段階で公表されている。
- 2025年3月19日：オルテゴ・ララサバル氏がAPSグローバル物理学サミットで、局所的なノイズ測定と最大70 meVの電子対形成エネルギーを発表。
- 2026年11月5日：大学の発表によると、研究成果がScience誌に掲載。
- 今後の研究目標：空間分解能の向上、より高温での測定、位相コヒーレンスの直接検出。
アラン氏は、より優れた材料を見つけるうえで、化学と人工知能を活用した実験にも役割があると考えている。物理学の理解から有望な候補を絞り込み、新しい組成を作って検証することで、どの組み合わせが実際にTcを高めるのかが分かる可能性がある。
実用面での意義は大きい。電気抵抗は有用な電気エネルギーを熱に変える一方、超伝導ではその損失なく電流を流せる。多くの超伝導技術では、冷却が依然として大きな負担となっている。より高い温度で電子対形成とコヒーレンスの両方を維持できる材料があれば、その負担を軽減できる可能性がある。ただし、今回の直接的な成果は、研究者が何を測定し制御すべきかをより明確にしたことだ。
要点
- 研究者らは電流の微小な揺らぎを測定し、BSCCOの擬ギャップと電子対形成を結び付けた。
- 電子対形成エネルギーは最大70 meVに達し、表面上の場所によって変化しながら、局所的な擬ギャップエネルギーに追随した。
- 最大6テスラの磁場によって、余分なノイズは個々の電子に伴う水準に近づいた。
- 今回の成果は、超伝導に必要な集団的な協調が生じる前に電子対が形成されるという見方を支持する。
- 実験でノイズを測定したのは極低温だった。超伝導転移温度以上での直接測定は今後の目標だ。
- 今後は、より高温での測定、詳細なマップの作成、位相コヒーレンスの直接検出に取り組む。
