【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻
准教授　水上雄太（みずかみ　ゆうた）
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• ウラン化合物UTe₂の超伝導状態において、電子対が「右回り」または「左回り」といったカイラリティを有することを見出しました。
• 超伝導状態でのカイラリティの検証は困難でしたが、磁場を様々な方向に印加したときの違いを調べるという新しい手法により電子対の対称性を決定することで、カイラル超伝導が実現していることを明らかにしました。
• 本研究により、超伝導状態の基礎的理解を進展させるとともに、カイラル超伝導が持つ特異な性質が新たな量子技術の開発につながることも期待されます。

【概要】

東京大学大学院新領域創成科学研究科の石原滉大助教、水上雄太助教（研究当時、現在東北大学大学院理学研究科准教授）、橋本顕一郎准教授、芝内孝禎教授、日本原子力研究開発機構の酒井宏典研究主幹、芳賀芳範研究主幹らの研究グループは、ウランを含む超伝導体であるウランテルル化物（UTe₂）においてカイラリティ（掌性、注1）を持つ超伝導状態が実現していることを実験的に明らかにしました。

　UTe₂は2019年に超伝導状態を示すことが報告された比較的新しいウラン系超伝導体であり、これまでに異常な超伝導特性が多く報告されているものの、その超伝導状態は未解明でした。そこで研究グループは、磁場を様々な方向に印加したときの違いを調べるという新しい手法によりUTe₂における超伝導状態の解明を試みました。その結果、UTe₂では電子対が「右回り」または「左回り」といったカイラリティを有するカイラル超伝導状態を実現していることがわかりました（図1）。このカイラル超伝導状態では、超伝導状態を特徴づける電子対の対称性が、通常の実数（AやB）の形ではなく、複素数(A+iB)の形で表現される特殊な状態となっており、 A+iB、A-iBの状態がそれぞれ右回り、左回りに対応しカイラリティを持ちます。

　カイラル超伝導状態は従来基礎物理学的な観点から研究されてきましたが、近年ではトポロジカル量子計算（注2）への応用も期待されています。今回の成果は、多くの異常な超伝導特性を示すUTe₂の超伝導状態を明らかにしただけではなく、量子計算技術への応用的な研究も促進することが期待されます。

　本研究成果は2023年5月23日付け（現地時間）で、英国科学誌『Nature Communications』にオンライン掲載されました。

　

【用語解説】

注１　カイラリティ（掌性）
ある状態を鏡に映すと元の状態とは異なる状態になるとき、その状態はカイラリティを有している、と言います。例えば、右手を鏡に映すと左手のようになり、右回りの回転をしている物体を鏡に映すと左回りの回転をしているように見えるため、これらの状態はカイラリティを有します。超伝導状態の場合には、電子対状態が右回りまたは左回りといった回転の方向性を持つ場合に、カイラル超伝導状態と呼ばれます。

注２　トポロジカル量子計算
物質中のトポロジカルな性質を利用して行う量子計算のこと。トポロジカルに保護された量子状態は一般に不純物などの外因的なノイズに対して頑強であるため、トポロジカル物質を利用することで環境ノイズに強い量子計算が可能になると期待されています。

詳細（プレスリリース本文）

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東北大学大学院理学研究科物理学専攻
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