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物性・原理

有機トランジスタで超伝導の条件を探る ~電圧とひずみで試料の超伝導を制御~

 国立研究開発法人 理化学研究所(理研),大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所(分子研),名古屋大学および東邦大学は2019年5月11日,理研の開拓研究本部加藤分子物性研究室 加藤 礼三 主任研究員ら,分子研の山本 浩史 教授,名古屋大学大学院工学研究科の竹延 大志 教授,東邦大学理学部物理学科の田島 聖士 研修生(研究当時)らの共同研究グループが,強相関物質を用いて柔軟な有機トランジスタを作製し,一つの試料で電子の「数」と「動きやすさ」を同時に制御することで,超伝導の発現条件を明らかにしたことを発表した.本研究は,米国のオンライン科学雑誌Science Advancesに掲載された(注).なお,この研究は,日本学術振興会(JSPS)科学研究費の複数の助成事業による支援を受けて行われた.

 本来は金属になる物質だが,狭い領域に電子が閉じ込められた構造体などで,電子同士が強く反発し,絶縁体になったり,逆に超伝導体になったりする物質を「強相関物質」と呼ぶ.電子の「数」と「動きやすさ」(運動エネルギー)が変化を起こす要因である.その代表例の銅酸化物高温超伝導体では,少量の不純物を注入して絶縁体の電子の数を変えると,高温超伝導が発現する.有機物にも強相関物質が存在し,圧力をかけて電子の動きやすさを上げると,超伝導体になることが分かっている.しかしこれまで,同じ試料で電子の「数」と「動きやすさ」をどちらも変化させながら超伝導の条件を詳細に調べる手法はなかった.

 共同研究グループは,BEDT-TTF(ビスエチレンジチオ-テトラチアフルバレン)という有機分子からなる強相関物質を電界効果トランジスタ(FET)のチャネル層としてプラスチック基板上に貼り付け,その表面にイオン液体(電解質)層を挟んでゲート電極を設けた.チャネル層とイオン液体層の界面に形成される電気二重層(正負に帯電した層)をゲート電圧で変化できる電気二重層トランジスタである.ゲート電圧によりチャネル領域の電子の大きな増減ができ,柔軟性のある有機トランジスタであるので,曲げることで有機物質の分子間距離を縮め,チャネル中の電子の動きやすさを増加させることができる.今回,この二つを同時に変化させることで,一つの試料の中で超伝導状態を制御出来るかを調べた.

 温度5.5Kにおいて,ゲート印加電圧がゼロでチャネル有機分子が絶縁体の状態からゲート電圧を負の方向に変化させて行くと,-0.3V程度印加し強く曲げて(歪み約0.4%)電子の動きやすい状態で超伝導状態が発現し,曲げの弱い方までその領域が広がっていく.一方,ゲート電圧を正方向に変化させた場合は,僅かの印加電圧(+0.1V)で超伝導になるが,更に電圧を高める(~+0.2V)と超伝導領域はすぐ消えてしまう.超伝導の発現現象が両者で異なることが分かった.今回使用した有機物では,従来の高温超伝導体と同様に,隣り合う電子のスピンが反対方向に向くような電子間相互作用が働いている(反強磁性).この相互作用が超伝導に深く関係していると考えられるが,今後,本研究の対象物質を広げることで,超伝導と磁性(電子スピンの並び方)の関係を実験的に明らかにできるとしている.

(注)Y. Kawasugi, K. Seki, S. Tajima, J. Pu, T. Takenobu, S. Yunoki, H. M. Yamamoto, and R. Kato, "Two-dimensional ground-state mapping of a Mott-Hubbard system in a flexible field-effect device", Science Advances 10 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav7282, DOI: 10.1126/sciadv.aav7282