多層型銅酸化物高温超伝導体

　多層型銅酸化物高温超伝導体は、「多バンド型多成分超伝導体」の舞台です[1]。複数の電子のバンドを持ち、バンドごとに超伝導量子凝縮が起き、その量子凝縮層が「バンド間ジョセフソン結合」で弱く結びついています。そのため、「バンド間位相差」という新しい量子位相が生まれます。この「バンド間位相差」について、1960年遷移金属の超伝導について研究していたA.J. Leggettは議論しました[2]。ノーベル賞の受賞理由である、ヘリウム３の超流動の理論の土台になっています[3]。

　遷移金属は、原子のs軌道を主とするバンドとd軌道を主とするバンドの複数のバンドがありましたが、超伝導になった場合これらのバンド間の相互作用は強く、「多バンド型多成分超伝導」は生じませんでした[4]。「多バンド型多成分超伝導体」は、多層型銅酸化物で初めて実現しました。

右上図面は[5]より。結晶構造の描画にVESTA（https://jp-minerals.org/vesta/jp/, VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. K. Momma and F. Izumi,  Journal of Applied Crystallography, 44, 1272-1276 (2011).）を使用。

[1] Multicomponent superconductivity based on multiband superconductors. Y. Tanaka. Superconductor Science and Technology  28 (2015) 034002. 

[2] Number-phase fluctuations in two-band superconductors. A. J. Leggett. Progress of Theoretical Physics 36 (1966) 901.

[3] Nobel Lecture: Superfluid He: the early days as seen by a theorist. A. J. Leggett. Review of Modern Physics. 39 (2004) 587.

[4] Bardeen-Cooper-Schrieffer theory of superconductivity in the case of overlapping bands. H. Suhl, B. T. Matthias, and L. R. Walker. Physical Review Letters. 3 (1969) 553.

[5] Experimental formation of a fractional vortex in a superconducting bi-layer. Y. Tanaka, H. Yamamori, T. Yanagisawa, T. Nishio, S. Arisawa. Physica C 548 (2018) 44-49.

ヘリウム３の超流動は、スピン三重項p波対の量子凝縮相です。この理論を超伝導に展開したのがスピン三重重項p波超伝導です[6]。普通の超伝導が持つ「位相」以外の自由度を持つため、「宇宙」を模擬できると考えられています[7]。宇宙の「真空」も内部自由度を持つを考えられるからです。スピン三重重項p波超伝導体探し[8,9] の動機付けの一つはそこにありました。

「内部自由度を持つ」に大きな特徴があり、「スピン三重重項p波対」は実装する手段です

内部自由度は、超伝導対の持つ対称性に由来し、縮退した超伝導対波動関数に依存し、多くの自由度を取り扱う複雑な議論がなされてきました。

「多バンド型多成分超伝導」は、「バンド間位相差」という内部自由度を持った超伝導です。そこでは、対称性や超伝導対波動関数の縮退は必要がありません。位相は、電磁波と結合する位相と、結合しない「バンド間位相差＝成分間位相差」に単純化されています。

従来の超伝導の渦糸の1次元上の位相欠陥であるi-soliton [10,11] が生じ、分数磁束量子、分数渦の閉じ込め、分数渦の漸近自由など、クォークでなじみのある物理が登場します [12,13]。

[6] An unusual superconductivity in UBe13. G. E. Volovik and L. P. Gor'kov. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz.  39, (1984) 550.

[7] Vortex formation in neutron-irradiated superfluid 3He as an analogue of cosmological defect formation. V. M. H. Ruutu, V. B. Eltsov, A. J. Gill, T. W. B. Kibble, M. Krusius, Yu. G. Makhlin, B. Plaçais, G. E. Volovik & Wen Xu. Nature 382 (1996) 334.

[8]  Ultrasonic determination of different phases in superconducting UPt3. V. Müller, Ch. Roth, D. Maurer, E. W. Scheidt, K. Lüders, E. Bucher, H. E. Bömmel.  Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 1224.

[9]Longitudinal sound measurements on UPt3 in a magnetic field. Y.J. Qian, M-F. Xu, A. Schenstrom,  H-P. Baum,  J.B. Ketterson, D. Hinks, M. Levy, Bimal K. Sarma. Solid State Communications 63 (1987) 599.

[10] Phase instability in multi-band superconductors, Y. Tanaka, J. Phys. Soc. Jpn. 70 (2001) 2844.

[11] Soliton in Two-Band Superconductor, Y.Tanaka, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 017002.

[12] Deconfinement of vortices with continuously variable fractions of the unit flux quanta in two-gap superconductors. J. Goryo, S. Soma and H. Matsukawa.  Europhysics Letters　80 (2007) 17002.

[13] Quarks and fractionally quantized vortices in superconductors - An analogy between two worlds - T. Yanagisawa.   Recent Advances in Quarks Research 0113 (2013).