スーパーカレントで制御されるスピン軌道結合超伝導体中の磁気不純物の自発的強磁性

超伝導体中の微小磁石が重要な理由

現代のスーパーコンピュータは、超伝導電子回路が必要とする低温環境で動作する、超高速で超低消費のメモリを求めています。本研究は、抵抗のない電流（スーパーカレント）が表面の多数の微小磁気モーメントを静かに集合状態へと整理できるという非凡な物質を調べます。この成果は、ほとんどエネルギー損失なく情報を記憶する新たな手法を示唆します。

超伝導体と隠れた磁性

標準的な超伝導体では、電子は通常磁性と両立しにくいペアを形成します。磁気ビットはこれらの対を壊しやすいため、長距離の磁気秩序は抑制されがちです。ここで調べられた鉄系化合物Fe(Se,Te)は、電子の運動とスピンが強く結びつくスピン軌道相互作用を持つため異なる挙動を示します。規則的な原子層の間に挟まれた余剰の鉄原子は、表面に散在する微小な磁石として働きます。理論では、このような系では超伝導体内の異常な電流を介して不純物同士が相互作用し、強磁性的に整列し得ると示唆されていましたが、これが直接観測されることはこれまでありませんでした。

目に見えない磁気パターンの可視化

研究者たちは、間隙鉄原子の密度が比較的高い薄片状のFe(Se,Te)を剥離して超伝導転移温度以下まで冷却し、高感度の走査SQUID顕微鏡を用いて、微小磁場と印加電流に対する試料の応答をマッピングしました。通常、超伝導体に磁場が入る際に見られる渦のパターンの代わりに、数十マイクロメートルに広がる大きな磁気ドメインが観測されました。これらのドメインは冷却ごとに変化し、物質が超伝導状態のときのみ現れ、臨界温度に近づくと急速に消失しました。この振る舞いは、ドメインが通常の不純物に起因するのではなく、対をなした電子の超流体に依存する磁気状態に由来することを示しています。

磁化を書き込む電流

スーパーカレントがこの磁性を制御できるかを確かめるため、研究チームは類似の薄片上に金電極を配置したデバイスを作製しました。小さなバイアス電流を試料に流すと、観測された磁気信号は電流自体が作る普通の磁場に従いました。しかししきい値を越えると、パターンは突然変化しました：強い電流はエッジに沿って集中し、測定された磁束の符号が単純な期待とは逆転しました。バイアス電流をオフにした後も残留磁束パターンが残り、その符号は逆向きの電流を流すことで反転可能でした。電流に対する依存性はヒステリシスループを示し、従来の強磁性体の磁化反転に似ていますが、ここでのスイッチングは典型的な金属デバイスより約千分の一のスーパーカレント密度で起きました。

スーパーカレントがスピンを結びつける仕組み

鍵となるのは、表面でのスピン軌道相互作用により許される磁気電気効果です。流れるスーパーカレントは表面の不純物を偏極させ、スピンを面内に整列させる傾向があります。逆に、面内に一様な磁化が生じると、いわゆる異常スーパーカレントが特徴的に周回して流れます：エッジでは印加電流の方向を強め、内部ではそれに逆らいます。これらの周回電流がSQUID顕微鏡で観測される磁気信号を生みます。薄片の上面と下面が寄与を加算するため、スピン自体は原子スケールでも効果は強く現れます。超伝導体を加熱すると超流体が弱まり、長距離の強磁性秩序とそれに伴う異常電流は消失し、磁気状態が超伝導凝縮体に直接結びついていることが確認されます。

低損失の低温メモリに向けて

簡単に言えば、本研究は穏やかで損失のない電流が、材料が超伝導状態にある限り、微小な表面磁石のシートを制御可能かつ不揮発にオン／オフ切り替えできることを示しています。この電流で書き込まれる磁化は、通常の電子ではなくスーパーカレントによって媒介され、既存の磁気デバイスよりはるかに低い消費電力の低温メモリ素子の基盤となり得ます。実用化にはよりきれいで薄い膜や信頼できる電気的読み出し方式が必要ですが、本成果は長年の理論的予想を裏付け、将来の低消費エネルギー計算機で超伝導論理と磁気記憶を統合する道を開きます。

引用: Xiang, B., He, Q., Lin, Y. et al. Supercurrent-controlled spontaneous ferromagnetism of magnetic impurities in a spin-orbit-coupled superconductor. Nat Commun 17, 4294 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70968-1

キーワード: 超伝導スピントロニクス, 強磁性, スピン軌道相互作用, 低温メモリ, FeSeTe