2025年 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　准教授　野島勉
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 超伝導状態を比較的維持しやすい鉄系超伝導体であるセレン化・テルル化鉄を用いることで、強い磁場の中において、超伝導ダイオード効果（超伝導状態と常伝導状態が電流の向きで切り替わる現象）の観測に成功
• これにより、ダイオード特性の磁場・温度依存性を広い範囲で調べることが可能となり、本物質における超伝導ダイオード効果の物理的起源を解明
• 超伝導体の基礎物性の理解につながるだけでなく、磁場や温度揺らぎに強い超伝導素子開発への展開に期待

【概要】

大阪大学大学院理学研究科の小林友祐さん（当時博士前期課程2年）、塩貝純一准教授、松野丈夫教授、東北大学金属材料研究所の野島勉准教授らの共同研究グループは、鉄系超伝導体のひとつであるセレン化・テルル化鉄Fe(Se,Te)を用いることで、数～十数テスラの強磁場において、超伝導ダイオード効果^※１を示す超伝導素子を実現しました。

Fe(Se,Te)は、母物質であるFeSeと比較して高い超伝導臨界パラメータ^※２と強いスピン軌道相互作用^※3を示すことが知られていますが、これまで本物質のこれらの特徴を活かした超伝導ダイオード効果の報告例はありませんでした。本素子の実現によって、ダイオード特性の広範囲な磁場・温度依存性を明らかにするとともに、この超伝導ダイオード効果の起源が、スピン軌道相互作用によって非対称化されたボルテックス（超伝導量子化渦）のピン止め効果^※４によることを突き止めました。

これらの研究成果によって、これまで様々な超伝導物質で報告されている超伝導ダイオード効果についての理解が進むだけでなく、磁場や温度揺らぎに強い超伝導素子の開発への展開が期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Communications Physics」に、5月12日（月）（日本時間）に公開されました。

【用語解説】

※１　超伝導ダイオード効果
超伝導状態から常伝導状態に変化する臨界電流が、電流方向に依存する効果。これまで、空間反転対称性が破れた超伝導物質や薄膜素子で観測されています。抵抗が電流方向に依存する半導体のダイオード効果とのアナロジーから、超伝導ダイオード効果と呼ばれています。交流の電力を直流に変換する整流素子への応用が期待されています。

※2　超伝導臨界パラメータ
超伝導体（抵抗がゼロになる物質）では、超伝導転移温度以下で十分に大きな磁場や電流を印加すると、常伝導状態（有限の抵抗を示す状態）になります。このような常伝導へ転移するのに必要な臨界磁場や臨界電流密度の総称を超伝導臨界パラメータと呼びます。

※3　スピン軌道相互作用
相対論的な効果によって、電子が運動方向に依存した有効磁場を感じる効果。

※４　ボルテックスのピン止め効果
第二種超伝導体と呼ばれる超伝導体では、ある一定以上の磁場を印加すると、超伝導体内部に渦電流を伴う量子化された磁束が侵入します。これをボルテックス（超伝導量子化渦）と呼びます。通常、超伝導体に電流を流すと、ボルテックスが電流から力を受け（ローレンツ力）、運動を始めます。この運動に伴って、電流方向に電圧が生じ、超伝導状態が破壊されます。一方、試料内部に欠陥がある場合、ピン止め効果（欠陥位置に止まろうとする性質）によって、ボルテックスの運動が止められ、超伝導状態が維持されます。このピン止め効果が空間的に非対称な場合は、電流方向（つまりボルテックスの運動方向）に依存した電圧が生じることになり、これが超伝導ダイオード効果として観測されます。

【論文情報】

タイトル："A scaling relation of vortex-induced rectification effects in a superconducting thin-film heterostructure"
著者名：Yusuke Kobayashi, Junichi Shiogai, Tsutomu Nojima, and Jobu Matsuno
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1038/s42005-025-02118-w

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所
准教授　野島 勉
TEL: 022-215-2167
E-mail: tsutomu.nojima.c4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
E-mail: press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）