銅酸化物高温超伝導体の大きな謎とされてきた「擬ギャップ（pseudogap）」について、電子対形成と直接関わる可能性を示す実験結果が得られた。超伝導が発現する前の段階で、すでに電子が対を作っていることを示す結果で、高温超伝導の仕組みの解明につながる手掛かりとなりそうだ。

Ars Technicaが8日（現地時間）に報じたところによると、ドイツのルートヴィヒ・マクシミリアン・ミュンヘン大学とオランダのユトレヒト大学の共同研究チームは、微小な電気雑音である「ショットノイズ」を測定し、銅酸化物高温超伝導体における電子対形成の痕跡を捉えた。

銅酸化物高温超伝導体は、液体窒素で冷却できる比較的高い温度で電気抵抗がゼロになる物質群として知られる。発見から約40年が経つが、なぜ通常の超伝導体より高温で超伝導が生じるのかは、なお明確になっていない。

その解明を難しくしてきた要因の一つが擬ギャップだ。超伝導転移温度を上回る温度でも、特定のエネルギー領域で電子状態が減少したように観測される現象で、電荷密度波のような規則的な電荷配列によるものか、それとも超伝導に先立って電子対が形成されるためなのかを巡り、議論が続いてきた。

研究チームは、この2つの可能性を見分ける手法としてショットノイズ測定に着目した。ショットノイズは、電流を担う電荷が離散的に移動することで生じる微小な雑音だ。電子が1個ずつ移動する場合と、2個の電子が対となって移動する場合では雑音の大きさが異なるため、解析によって電子対形成の有無を見極められるという。

実験では、走査型トンネル顕微鏡を用いて探針と試料の間に電流を流し、表面の位置ごと、エネルギーごとの雑音変化を調べた。試料には、BSCCOとして知られる銅酸化物結晶を使った。

その結果、電子対形成を示す雑音の増加は、超伝導状態に限って現れるものではなかった。超伝導転移温度より高温で観測される擬ギャップのエネルギー領域でも、雑音の明確な増加が確認された。これは、擬ギャップ領域ですでに電子が対を作っている可能性を示している。

研究チームは磁場を加えた実験でもこの信号を検証した。最大6テスラの磁場で電子対形成を抑えると、雑音は単一電子の移動に対応する水準まで低下した。一方、擬ギャップの全体的なパターンはおおむね保たれたという。

この結果は、擬ギャップを電荷の規則的な配列だけで説明するのは難しいことを示す。電子対形成が擬ギャップと密接に関わっているという解釈を支持する内容だ。

研究チームはまた、高温超伝導体では電子対形成と実際の超伝導の発現が別々の段階で起こる可能性があると指摘した。通常の超伝導体では、電子対形成と位相コヒーレンスは臨界温度付近で同時に現れる。

しかし今回の実験では、電子対を引き離すのに必要なエネルギーが、超伝導転移温度に対応する水準を大きく上回る領域でも観測された。電子はまず対を形成し、その後さらに温度が下がることで位相コヒーレンスを獲得し、集団として動き始める可能性があるという。

これは、高温超伝導の実現においては、電子対を作る過程だけでなく、形成済みの電子対をコヒーレントに運動させる過程も重要な制約条件になり得ることを示唆している。

もっとも研究チームは、今回の結果だけで擬ギャップの正体が完全に解明されたわけではないと強調する。電荷密度波のような静的な電荷パターンが、電子対形成と同時に作用している可能性は残るとしている。

測定手法にも限界がある。現在の方式では温度の上昇とともに感度が低下するため、超伝導転移温度を超える高温側で電子対の信号を直接確認するには制約があった。研究チームは今後、より高温での雑音測定技術や、位相コヒーレンスを直接検出できる装置の開発を進め、超伝導転移の過程や臨界温度を制限する要因の解明につなげたい考えだ。