構造的にキラルな超伝導体から作製したヨセフソン接合における超伝導ダイオード効果

一方向の超電流が重要な理由

電子機器はダイオードに依存しています──電流を一方向にだけ流し、逆方向にはほとんど流さない小さな素子です。これを通常の金属や半導体ではなく、抵抗なく電流が流れる超伝導体で実現できると想像してみてください。そんな「超伝導ダイオード」は、計算機や量子技術におけるエネルギー損失を劇的に削減する可能性があります。本論文は、原子が左巻きまたは右巻きの螺旋パターンを形成する特殊な結晶が、こうした一方向性を持つ損失ゼロの電気素子の作製に使えるかを調べています。

物質を左右にねじる

研究者たちはMo3Al2Cと呼ばれる材料に着目しています。この超伝導体の原子配列はキラル（手性）で、左右の手のように鏡像でありながら重ね合わせられない形をとります。結晶は右手系と左手系の二種類で作られます。理論や他のキラル系での先行実験は、こうした手性が移動する電子に特定のスピンや方向を好ませるように働くこと（キラリティ誘起スピン選択性）を示唆しています。その偏りを超伝導体内部で利用できれば、抵抗のない電流に一方向性を与え、超伝導ダイオードの本質を実現できるかもしれません。

結晶を押し付けて超デバイスを作る

原子層薄膜を使う方法はキラル超伝導体では作製が難しいため、研究チームは自然に平坦な面をもつバルク単結晶を用いました。二つの結晶を軽く押し合わせ、表面が狭い障壁を形成するようにして、二つの塊の間に非常に薄い絶縁膜のような接触領域を作りました。この接触領域はヨセフソン接合として振る舞い、電子対がトンネルすることでコヒーレントな超電流を流せる弱リンクになります。著者らは、両側が同じ手性の（右/右）デバイスと、一方が右手系でもう一方が左手系の（右/左）デバイスの二種類を作製しました。これらを絶対零度に近い数ケルビンまで冷却し、超伝導状態が壊れるまで流せる電流を測定しました。

磁場の一押しに対する超電流の挙動を観察

押し合わせた界面が本当にヨセフソン接合として振る舞うかを確認するために、研究者らは接合と平行な小さな磁場をかけ、最大超電流がどう変化するかを追跡しました。理想的な接合では、これはスリットを通る光の回折を思わせる波状パターンを生じます。右/左および1つの右/右デバイスはこのようなフラウノホーファー様の振動を示し、真のヨセフソン挙動を示しました。一方、もう1つの右/右デバイスは異なる挙動を示し、電流分布の不均一性が原因と考えられます。重要なのは、研究チームが磁場を掃引しながら正方向（Ic+）と負方向（|Ic−|）に流れる最大電流を比較し、統計を取るために測定を繰り返した点です。

一方向性の超電流を発見

混合手性デバイスでは、多くの磁場値でIc+と|Ic−|が一致せず、接合は一方向にもう一方より多くの超電流を流しました。その非対称性は最大で約5パーセントに達しました。さらに、磁場が変わると電流の優先方向が反転し、この効果がランダムノイズではなく、調整可能で確かな現象であることを示しました。対照的に、同じ手性のコントロールデバイスは正負の電流でほぼ同一の振る舞いを示し、内在的なダイオード効果は見られませんでした。別の同手性接合は歪んだパターンを示しましたが、著者らはそれを真の内在的方向性ではなく通常の自己生成磁場によるものと説明しています。全デバイスを注意深く比較することで、反対手性の結晶の界面だけが外部磁場下で真の超伝導ダイオード効果を生むと主張しています。

将来のエレクトロニクスにとっての意味

専門外の読者にとっての要点は、二つの小さな鏡像の超伝導単結晶を機械的に押し合わせるという単純な組立てで、弱い磁場が加わったときに抵抗のない電流が一方向を好むデバイスが作れるということです。この挙動は二つの結晶が同じ手性のときには現れず、接合での構造的キラリティが重要であることを示しています。観測された効果は他のいくつかの超伝導ダイオードと比べると控えめですが、三次元の構造的キラル材料という新しいプラットフォームを示しています。結晶の配向や界面品質をさらに制御できれば、このアプローチは今日のダイオードが通常電流を制御するように、超電流を効率的かつコンパクトに制御する超伝導コンポーネントにつながる可能性があります。

引用: Orban, P.T., Bassen, G., Crites, E.N. et al. The superconducting diode effect in Josephson junctions fabricated from a structurally chiral superconductor. Commun Phys 9, 124 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02564-0

キーワード: 超伝導ダイオード, ヨセフソン接合, キラル超伝導体, 非相反輸送, スピン選択性