結晶振動内部クロックが超伝導臨界温度を高める!

超伝導は、伝導体の中を抵抗なしに自由に移動できるので、電子達にとっては、エルドラドのような存在です。しかし、それは、非常に低温な臨界温度未満でしか存在することができません。物理学者達は、現在、超伝導の臨界温度を高められると考えていて、イオンが、フォノンと呼ばれる導体材料の結晶格子中で、その材料中を流れる電子と相互作用する方法を変えることで、外部からそれの基礎物理現象を駆動することを考えています。ドイツのルプレヒト・カール大学ハイデルベルクとハンブルク大学の研究者らは、最も単純な超伝導理論を、外部からフォノン発生を駆り立てることで生じる結果に組み込みました。EPJ B誌に掲載された彼らの主要な研究結果は、フォノン駆動を使って臨界温度を高めることが、どうして理論的に可能なのかを説明する単純な公式です。

BCS理論

When crystal vibrations’ inner clock drives superconductivity

The authors studied the all-important autocorrelation function of phonons in the superconductivity BCS theory, named after John Bardeen, Leon Cooper and John Robert Schrieffer.

「その著者達は、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーにちなんで名付けられた、超伝導BCS理論において極めて重要なフォノンの自己相関関数を詳細に研究しました。」

BCS理論とは:超伝導とは?

常温の金属中では電子が一定の方向に流れることにより電流を生じます。このとき、電子は金属中のイオンの振動や不純物により散乱され、先に述べた電気抵抗を生じます。一方、いくつかの冷却した金属中では電子間に引力が生じ、電子2つがあたかも1つの粒子であるかのように振る舞うようになります。この 電子2つの対はクーパー対と呼ばれ、さらにこのクーパー対達は動きをそろえて一斉に運動します(位相を揃えた運動)。

このように足並みを揃えて大勢のクーパー対が運動する状態が安定であるため、上述のイオンの振動や不純物による散乱を受けずに運動することが可能となります。つまり、電気抵抗は消失します。

ここに記されているイオン振動が、今回の研究の要っぽいです。

電子のペアリング

Superconductivity is induced by phonons cooperating to bring the electrons together in the so-called Cooper pairs—against their spontaneous tendancy to repel each other. In this work, the authors focused on the scenario of an X-ray light field rattling the phonons. They realised that a kind of driving, which controls the frequency of vibration of the lattice sites, can profoundly change the pairing of the electrons.

「超伝導性は、電子のお互いに反発し合う性質に反して、いわゆるクーパー対に電子をくっつけるのに協力しているフォノンによって誘発されます。この研究で、著書達は、フォノンがガタついているX線光照射野のシナリオに焦点を当てました。彼らは、格子サイトの振動周波数を制御している動力のような物が、電子達のペアリングを大きく変えることができることに気が付きました。」

内部クロックの相違

However, electrons and phonons do not follow the same internal clock. This means that change at what is perceived as a normal pace for phonons comes across as extremely slow to electrons. To eliminate this discrepancy, the author devised a solution based on bringing a clever time-averaging procedure into the BCS equations. This theoretical approach, the authors found, reveals the controlled elevation of the critical temperature.

「しかし、電子とフォノンは、同じ内部クロックに従ってはいません。この事は、フォノンにとって正常ペースと認識されている変化が、電子には極めて遅いと受け取られることを意味しています。この食い違いを解消するために、著者は、巧妙な時間平均化法をBCS方程式の中へ組み込む事に基づく解決策を考案しました。著者が見つけたこの理論的な手法は、臨界温度の制御された上昇を明らかにしています。」

They thus managed to integrate the external phonon drive into the standard BCS theory. The advantge is that the critical temperature can be computed from this simple formula and can, in theory, be considerably elevated using the driving procedure. Suprisingly, the critical temperature was even higher up when further refinment to the equations accounted for phonon-phonon interactions.

「彼らは、このようにして、標準的なBCS理論の中に、外部フォノン駆動をうまく統合しました。その利点は、臨界温度が、この単純な公式から計算可能で、理論上、駆動法を用いて大幅に上昇させることができることです。驚くべきことに、臨界温度は、フォノン間相互作用を考慮にいれた方程式へさらに洗練されると、より一層上がりました。」

外部からフォノン駆動とか良く分かりませんが、実験的に実証したわけではなく、計算上立証されたみたいです。なので、その計算式がそのまま当てはまるのかというと、答えは今後の裏付け実験を待つしか無いみたいです。