近接効果（超伝導）

近接効果またはホルム・マイスナー効果は、超伝導体 (S) が「通常の」(N) 非超伝導体と接触したときに発生する現象を説明するために超伝導の分野で使用される用語です。通常、超伝導体の臨界温度は抑制され、弱い超伝導の兆候がメソスコピック距離を超える通常の材料で観察されます。近接効果は、R. ホルムと W. マイスナーによる先駆的な研究以来知られています。^[1]彼らは、2 つの超伝導金属が非超伝導 (つまり通常の) 金属の薄膜によって分離されている SNS プレス接点で抵抗がゼロであることを観察しました。SNS 接点での超電流の発見は、ブライアン・ジョセフソンの 1962 年の研究によるものと誤って考えられていることがありますが、この効果は彼の発表よりずっと前から知られており、近接効果として理解されていました。^[2] $T_{c}$

効果の起源

超伝導体の超伝導状態にある電子は、通常の金属とはまったく異なる方法で配列され、つまりクーパー対を形成します。さらに、運動量と位置の相補性のため、物質内の電子は明確な位置を持つとは言えません。固体物理学では、一般的に運動量空間基底が選択され、金属ではフェルミ面まで、超伝導体ではギャップエッジエネルギーまで、すべての電子状態が電子で満たされます。

金属中の電子は非局所性であるため、それらの電子の特性は急速に無限に変化することはできない。超伝導体では、電子は超伝導クーパー対として整列している。通常の金属では、電子の秩序はギャップレスである（単一電子状態はフェルミ面まで満たされている）。超伝導体と通常の金属を一緒にした場合、一方のシステムの電子秩序が境界で他の秩序に無限に急激に変化することはあり得ない。代わりに、超伝導層の対状態が通常の金属に持ち越され、そこで散乱イベントによって対が破壊され、クーパー対のコヒーレンスが失われる。銅などの非常に清浄な金属では、対は数百ミクロンにわたって持続することができる。

逆に、通常の金属に存在する（ギャップのない）電子秩序は、界面付近の超伝導ギャップが低下するという点で、超伝導体にも引き継がれます。

この動作を単一電子プロセスの観点から説明する微視的モデルは、アンドレーエフ反射と呼ばれます。これは、界面の透明性と、電子が散乱する可能性のある状態（他の材料内）を考慮して、1 つの材料内の電子が隣接する層の秩序をどのように引き継ぐかを説明します。

概要

接触効果としての近接効果は、ペルチェ効果や半導体におけるpn接合の形成などの熱電現象と密接に関係しています。の近接効果の増強は、通常の材料が絶縁体(I)ではなく拡散率の大きい金属である場合に最大になります。スピン一重項超伝導体におけるの近接効果の抑制は、通常の材料が強磁性体である場合に最大になります。これは、内部磁場の存在によって超伝導が弱まる(クーパー対の破壊)ためです。 $T_{c}$ $T_{c}$

研究

S/N、S/I、および S/S' (S' は下位の超伝導体) の二重層および多層の研究は、超伝導近接効果研究の特に活発な分野です。複合構造の界面と平行な方向の挙動は、界面と垂直な方向の挙動とは異なります。界面と平行な磁場にさらされたタイプ II 超伝導体では、渦欠陥は N 層または I 層で優先的に核形成し、増加する磁場によってそれらが S 層に押し込まれると、挙動の不連続性が観察されます。タイプ I 超伝導体では、同様に磁束が最初に N 層に浸透します。磁場が S/I または S/N 界面と垂直に適用された場合、同様の動作の質的変化は発生しません。低温の S/N および S/I 多層では、クーパー対の浸透深さとコヒーレンス長が長いため、S 層は相互の 3 次元量子状態を維持できます。温度が上昇すると、S 層間の通信が破壊され、2 次元動作へのクロスオーバーが発生します。 S/N、S/I、S/S の二重層および多層構造の異方性挙動は、高度に異方性の銅酸化物高温超伝導体で観察されるはるかに複雑な臨界磁場現象を理解するための基礎となっています。

最近、ホルム・マイスナー近接効果がモーパーゴ研究グループによってグラフェンで観測された。 ^[3]実験は、10 nmのチタンと70 nmのアルミニウムのフィルムで作られた超伝導電極を重ねた単一のグラフェン層で作られたナノメートル規模のデバイスで行われた。アルミニウムは超伝導体であり、グラフェンに超伝導を誘導する役割を果たす。電極間の距離は100 nmから500 nmの範囲であった。近接効果は、超電流、すなわちグラフェン接合部にゼロ電圧がかかった状態で接合部を流れる電流の観測によって明らかになる。ゲート電極を使用することで、研究者らは、グラフェン内のキャリアが電子の場合だけでなく、キャリアが正孔の場合にも近接効果が発生することを示しました。デバイスの臨界電流は、ディラック点でさえゼロを超えていました。

アブリコソフ渦と近接効果

ここでは、明確に定義されたコアを持つ量子渦が、超伝導体に近いかなり厚い通常の金属中に存在できることが示されています。^[4]

参照

アンドレーエフ反射 – 常伝導金属-超伝導体界面における散乱過程
ジョセフソン効果 – 量子物理現象

参考文献

^ ホルム、R.;マイズナー、W. (1932)。「ヘリウムの伝達。XIII」。Z.物理学。74 (11–12): 715。Bibcode :1932ZPhy...74..715H。土井：10.1007/bf01340420。S2CID 126976182。
^ Meissner, H. (1960). 「介在障壁のある接触における超伝導」. Phys. Rev. 117 ( 3): 672–680. Bibcode :1960PhRv..117..672M. doi :10.1103/physrev.117.672.
^ Heersche, HB; et al. (2007). 「グラフェンのバイポーラ超電流」. Nature . 446 (7131): 56–59. arXiv : cond-mat/0612121 . Bibcode :2007Natur.446...56H. doi :10.1038/nature05555. PMID 17330038. S2CID 4337771.
^ Stolyarov、ヴァシリー S.;クレン、トリスタン。ブラン、クリストフ。ゴロフチャンスキー、イーゴリ・A.スクリャビナ、オルガ V.カサトノフ、ダニイル I.カパエフ、ミハイル・M.クプリヤノフ、ミハイル・ユー。ゴルボフ、アレクサンダー A.ロディチェフ、ディミトリ（2018年6月11日）。「超伝導渦コアの拡散金属への膨張」。ネイチャーコミュニケーションズ。9 (1): 2277。ビブコード:2018NatCo...9.2277S。土井: 10.1038/s41467-018-04582-1。PMC 5995889。PMID 29891870。

PG de Gennes著『金属および合金の超伝導』、ISBN 0-201-40842-2。この教科書では、超伝導近接効果（本書では「境界効果」と呼ばれています）にかなりのスペースが割かれています。

[Holm-1] ホルム、R.;マイズナー、W. (1932)。「ヘリウムの伝達。XIII」。Z.物理学。74 (11–12): 715。Bibcode :1932ZPhy...74..715H。土井：10.1007/bf01340420。S2CID 126976182。

[Meis-2] Meissner, H. (1960). 「介在障壁のある接触における超伝導」. Phys. Rev. 117 ( 3): 672–680. Bibcode :1960PhRv..117..672M. doi :10.1103/physrev.117.672.

[Morp-3] Heersche, HB; et al. (2007). 「グラフェンのバイポーラ超電流」. Nature . 446 (7131): 56–59. arXiv : cond-mat/0612121 . Bibcode :2007Natur.446...56H. doi :10.1038/nature05555. PMID 17330038. S2CID 4337771.

[Stol-4] Stolyarov、ヴァシリー S.;クレン、トリスタン。ブラン、クリストフ。ゴロフチャンスキー、イーゴリ・A.スクリャビナ、オルガ V.カサトノフ、ダニイル I.カパエフ、ミハイル・M.クプリヤノフ、ミハイル・ユー。ゴルボフ、アレクサンダー A.ロディチェフ、ディミトリ（2018年6月11日）。「超伝導渦コアの拡散金属への膨張」。ネイチャーコミュニケーションズ。9 (1): 2277。ビブコード:2018NatCo...9.2277S。土井: 10.1038/s41467-018-04582-1。PMC 5995889。PMID 29891870。