自然発生したジョセフソン接合アレイで無線周波数パワーにより調整される再入超伝導性

外力なしで流れる電流

通常、電気が導線を流れるときはエネルギーが熱として失われます。超伝導体はこの損失なしに電流が流れる特別な材料ですが、たいていは低温や低磁場といった厳しい条件下でしか機能しません。本研究は、この挙動に対する異例のひねりを調べています。条件を変えると超伝導が一度消え、再び現れるように見え、将来の量子デバイス設計に役立つ豊かな隠れた物理を明らかにします。

隠れたネットワークを持つ単純な材料

研究者たちは粒状アルミニウムに注目しました。これは多数の微小な超伝導金属粒子が薄い絶縁層で隔てられてできた薄膜です。これらの粒子は一緒になって電子の弱い結合の自然なネットワーク、すなわち物理学者がジョセフソン接合アレイと呼ぶ構造を形成します。各結合自体は単純でも、全体としては複雑な集団挙動を示し得ます。粒状アルミニウムは粒子が極めて小さいため量子効果が強く、粒間で電子がどれだけ移動しやすいかを細かく調整できる点で魅力的です。

無線を調整ノブとして使う

性質を変えるたびに材料を作り直す代わりに、チームは無線周波数パワーをリモコンのように使いました。小さな直流電流を流しつつ装置に電波を送り、温度と磁場を調整しました。無線出力を徐々に上げることで、系を滑らかで完全に超伝導的な状態から絶縁状態へと押し込むことができ、そこでは電流が強く遮断され、抵抗は通常の非超伝導金属状態に比べて十倍にもなりました。低温では、電流を変化させた際に電圧に大きな台地状の段差、いわゆる巨大シャピロステップが観測され、ネットワーク内の多くの弱結合がまるで一つのよく同期した接合のように協調して振る舞うことを示しました。

去っては戻ってくる超伝導

最も印象的な効果は、抵抗が温度と無線出力の両方でどのように変化するかをマッピングしたときに現れました。ある特定の無線出力では、試料は極低温で超伝導として始まり、温度を上げると絶縁状態になり、さらに高い温度では予想外に再び超伝導になり、最終的に通常の金属に変わります。つまり、完全な伝導が消え、再出現し、そして再び消えるという現象がサンプルの加熱とともに起こるのです。適切な条件下では磁場をかけても同様の超伝導の復帰が見られました。

多粒子が協調して働く

この不可解な超伝導の復帰を理解するために、著者らは弱結合のネットワーク向けに発展した理論像と結果を比較しました。その見方では、粒間の電流の流れやすさだけでなく、各粒に電荷がどれだけ固定されているかも重要です。高温では、配列中の移動可能な帯電粒子が電荷間の反発を遮蔽（やわらげ）し、粒から粒への電荷移動に対するペナルティを実効的に下げます。通常は高温が超伝導に不利に働きますが、このネットワークではこの固定化を弱めることで協調的な状態を有利にする場合があるのです。この多粒子の振る舞いは、単一の弱結合接合では示せない現象です。

将来技術にとっての意義

測定とモデル化を合わせると、一見単純な粒状金属が複雑な量子状態を制御して遊べる場になり得ることが示されます。無線出力、温度、磁場を調整することで、同一デバイスを剛性のある超伝導状態、量子ゆらぎに支配された絶縁状態、そして多体系の遮蔽で駆動される再入超伝導状態の間で切り替えられます。この多用途性は、粒状超伝導体が新しい量子回路の構成要素や、多数の量子要素から驚くべき集団的挙動が生じる仕組みを探るモデル系として有望であることを示唆します。

引用: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

キーワード: 再入超伝導性, 粒状アルミニウム, ジョセフソン接合アレイ, 無線周波数調整, 量子相転移

研究グループのウェブサイトでさらに読む: https://daganlab.sites.tau.ac.il/