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超絶縁体とは、低温ではあるが有限の温度では電気を通さない、つまり無限大の抵抗を持ち、電流が流れない物質である。[1]超絶縁現象は、超伝導の正確な双対として考えることができる。
超絶縁状態は、温度を上昇させ、外部磁場と電圧を印加することで破壊できます。超絶縁体は、1996 年に MC Diamantini、P. Sodano、CA Trugenberger によって初めて予測されました[2]。彼らは、電磁気的二重性により、ジョセフソン接合アレイの超伝導体-絶縁体転移の絶縁体側に、超伝導と双対な超絶縁基底状態が現れるのを発見しました。超絶縁体は、不確定性原理の 2 つの異なる対称性の実現間の双対性に基づいて、 2008 年にT. Baturina とV. Vinokurによって独立に再発見され[3] 、チタン窒化物 (TiN) フィルムで実験的に発見されました。2008 年の測定では、電圧閾値遷移による超絶縁状態の現れと解釈される巨大な抵抗ジャンプが明らかになりました。この超絶縁状態は、電荷ベレジンスキー-コステルリッツ-サウレス転移以下で現れる低温閉じ込め相であると特定されました。これらの抵抗ジャンプは、以前に発見された酸化インジウム（InO）膜の抵抗ジャンプと類似していました。[4]超絶縁状態への有限温度相転移は、2018年にミロノフらによってNbTiN膜でようやく確認されました。[5]
他の研究者も、無秩序な酸化インジウム膜で同様の現象を観察している。[6]
機構
超伝導と超絶縁はどちらも伝導電子がクーパー対を形成することによって成り立っている。超伝導体ではすべての対がコヒーレントに動くため、電流は抵抗なく流れる。超絶縁体ではクーパー対と通常の励起の両方が閉じ込められ、電流は流れない。超絶縁の背後にあるメカニズムは、低温での磁気単極子の増殖である。 [7] 2次元（2D）では、磁気単極子は量子トンネル現象（インスタントン）であり、単極子「プラズマ」と呼ばれることが多い。3次元（3D）では、単極子はボーズ凝縮を形成する。単極子プラズマまたは単極子凝縮は、ファラデーの電場線を超伝導体のアブリコソフ渦と双対となる細い電束フィラメントまたは弦に圧縮する。これらの電気弦の端にある反対電荷のクーパー対は、引力のある線形ポテンシャルを感じる。対応する弦の張力が大きい場合、元の弦を引き伸ばし続けるよりも、真空から多くの電荷-反電荷ペアを引き出して多くの短い弦を形成する方がエネルギー的に有利です。その結果、漸近状態として中性「電気パイ中間子」のみが存在し、電気伝導は存在しません。このメカニズムは、クォークをハドロンに結合する閉じ込めメカニズムの単色バージョンです。
電気力は粒子物理学の強い力よりもはるかに弱いため、「電気パイ中間子」の典型的なサイズは、対応する素粒子のサイズをはるかに超えています。これは、十分に小さいサンプルを準備すると、「電気パイ中間子」の内部を覗くことができることを意味します。電気パイ中間子では、電気弦が緩んでクーロン相互作用が遮蔽されるため、電荷は効果的に束縛されず、金属内にあるかのように動きます。横方向の寸法が小さい TiN フィルムでは、金属挙動に対する抵抗の低温飽和が観察されています。
将来の応用
超絶縁体は、高性能センサーや論理ユニットのプラットフォームとして使用できる可能性があります。超伝導体と組み合わせることで、熱によるエネルギー損失のないスイッチング電気回路を作成することができます。[8]
参考文献
- ^ Mironov, A.; Diamantini, MC; Trugenberger, CA; Vinokur, VM (2022-11-19). 「超絶縁体の緩和電気力学」. Scientific Reports . 12 (1): 19918. arXiv : 2207.00791 . Bibcode :2022NatSR..1219918M. doi :10.1038/s41598-022-24460-7. ISSN 2045-2322. PMC 9675743. PMID 36402824. S2CID 250264815 .
- ^ Diamantini, MC; Sodano, P.; Trugenberger, CA (1996). 「ジョセフソン接合アレイのゲージ理論」. Nuclear Physics B. 474 ( 3): 641–677. arXiv : hep-th/9511168 . Bibcode :1996NuPhB.474..641D. doi :10.1016/0550-3213(96)00309-4. S2CID 16002482.
- ^ ヴィノクル、ヴァレリー M.;バトゥリーナ、タチアナ I.フィストゥル、ミハイル V.ミロノフ、アレクセイ・ユウ。バクラノフ、ミハイル・Ｒ．クリストフ・ストランク (2008)。 「超絶縁体と量子同期」。自然。452 (7187): 613–615。Bibcode :2008Natur.452..613V。土井：10.1038/nature06837. ISSN 0028-0836。PMID 18385735。S2CID 205212720 。
- ^ Sambandamurthy, G.; Engel, LW; Johansson, A.; Peled, E.; Shahar, D. (2005). 「2次元超伝導体における集団絶縁状態の実験的証拠」. Physical Review Letters . 94 (1): 017003. arXiv : cond-mat/0403480 . Bibcode :2005PhRvL..94a7003S. doi :10.1103/PhysRevLett.94.017003. ISSN 0031-9007. PMID 15698122. S2CID 26180507.
- ^ ミロノフ、アレクセイ・ユウ。シレビッチ、ダニエル M.プロズリエ、トーマス。ポストロバ、スヴェトラーナ V。ブルダスティ、マリア V.グタコフスキー、アントン K.ローゼンバウム、トーマス F.ヴィノクール、ヴァレリー V.バトゥリーナ、タチアナ I. (2018)。 「Charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Transition in 超電導 NbTiN 膜」。科学的報告書。8 (1): 4082.arXiv : 1707.09679。Bibcode :2018NatSR...8.4082M。土井: 10.1038/s41598-018-22451-1。ISSN 2045-2322。PMC 5840303。PMID 29511317。
- ^ Ovadia, M.; Sacépé, B.; Shahar, D. (2009). 「無秩序絶縁体における電子-フォノン分離」. Physical Review Letters . 102 (17): 176802. Bibcode :2009PhRvL.102q6802O. doi :10.1103/PhysRevLett.102.176802. PMID 19518807.
- ^ Diamantini, MC; Trugenberger, CA; Vinokur, VM (2018). 「クーパー対による閉じ込めと漸近的自由」. Communications Physics . 1 (1): 77. arXiv : 1807.01984 . Bibcode :2018CmPhy...1...77D. doi : 10.1038/s42005-018-0073-9 . ISSN 2399-3650.
- ^ 「新発見の『超絶縁体』は材料研究や電子設計に変革をもたらす可能性」Physorg.com 2008年4月7日
外部リンク
- Vinokur, Valerii M.; Baturina, Tatyana I.; Fistul, Mikhail V.; Mironov, Aleksey Yu.; Baklanov, Mikhail R.; Strunk, Christoph (2008). 「スーパー絶縁体と量子同期」。Nature . 452 (7187). Springer Science and Business Media LLC: 613–615. Bibcode :2008Natur.452..613V. doi :10.1038/nature06837. ISSN 0028-0836. PMID 18385735. S2CID 205212720.
- Levi Beckerson (2008年4月10日). 「超絶縁体、新たな物質状態を観測」DailyTech。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- アルゴンヌ国立研究所(2008 年 4 月 4 日)。「新発見の『超絶縁体』は材料研究や電子機器設計に変革をもたらす可能性」アルゴンヌ国立研究所。2019年5 月 31 日閲覧。
- アルゴンヌ国立研究所(2008 年 4 月 9 日)。「新たに発見された物質の基本状態、超絶縁体が誕生」。サイエンス ニュース。2019 年5 月 31 日閲覧。
- ジョン・カートライト (2008年4月2日). 「物理学者が『超絶縁体』を発見」. Physicsworld . 2008年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年5月31日閲覧。
- Saswato R. Das (2010年2月26日)。「科学者が超絶縁体の謎を解明」IEEE Spectrum 。 2019年5月31日閲覧。