新発見！超伝導を強化する電子の「隠れた輪」に迫る研究

新たな超伝導材料設計への道筋

2026年10月14日、東北大学、大阪大学、豊田中央研究所、分子科学研究所、高エネルギー加速器研究機構、沖縄科学技術大学院大学などの共同研究グループが、超伝導を強化する電子の「隠れた輪」を発見したことが発表されました。この研究は、これまでの理解を覆し、超伝導材料の新たな設計指針を提示します。

研究の概要

この研究において、研究者たちは特に3次元的な電子構造を持つ超伝導合金Pt(Bi1-xSex)2を対象にしました。過去の研究では、電子が特定のエネルギーに集中しやすい「特異点」を利用しており、そのうちの一つがサドル点と呼ばれています。しかし、これまでは主に2次元の材料での検証が行われており、3次元材料で同様の効果を得ることが難しいとされてきました。

サドルループの発見

今回の研究では、放射光を用いた角度分解光電子分光（ARPES）や光電子運動量顕微鏡を駆使し、サドル点が環状につながった特異な状態「サドルループ」を発見しました。これがフェルミ準位に近づくほど、超伝導転移温度が高くなるという重要な相関関係が明らかにされました。

この発見は、2次元材料においてのみ知られていた物理の理解を3次元材料の世界に広げるものであり、今後の材料設計において新たな視点を提供します。

ユニークな電子状態

超伝導現象は、電子の動き方に大きく依存しており、特に超伝導を強める要因としてサドル点の存在が知られています。サドル点は電子バンド上の特異点であり、ここで電子状態密度が大きく増加するとされます。しかし、3次元結晶においてはこの効果を引き出すのが難しいとされており、電子の動きに注目が必要でした。

サドルループの形成メカニズム

研究者たちが発見したサドルループは、BiとSeの原子のランダムな置換によって生じており、その特異な状態が超伝導に与える影響が注目されています。特に、Se濃度が低い場合にサドルループがフェルミ準位に近づくことで、超伝導の強化が期待されます。

今後の研究展望

今回の成果は、エレメント置換や圧力、界面制御などを通じてサドルループを意図的に制御できる道を開くものです。これにより、次世代の超伝導材料や強相関電子状態の設計が可能になるでしょう。さらに、サドルループ付近ではトポロジカル表面状態も発見されており、トポロジカル超伝導など新たな量子現象の実現にもつながる可能性があります。