フラクタル構造を有する超伝導複合化合物の位相コヒーレンス形成

神戸大学大学院理学研究科 化学専攻

内野 隆司

共同研究者:

神戸大学：櫻井敬博先生，太田仁先生，瀬戸雄介先生（大阪公立大）
NIMS: 大井修一博士，有沢俊一博士，立木実博士

超伝導体/常伝導体（絶縁体）界面における超伝導近接効果
superconductor

Sinsulator

Isuperconductor

S

S/I/S Josephson junction: tunneling of Cooper pairs

Superconducting quantum interference device (SQUID)

超伝導体/常伝導体（金属）界面における超伝導近接効果
superconductor

normal metal

superconductor

Andreev
boundstates
L. Bretheau et al.
Nat. Phys. 13, 756 (2017).

S/N/S Josephson junction: Andreev reflection（アンドレーエフ反射）

超伝導体/常伝導体（金属）界面における超伝導近接効果
superconductor

normal metalsuperconductor

Andreev
boundstates
L. Bretheau et al.
Nat. Phys. 13, 756 (2017).

S/N/S Josephson junction: Andreev reflection（アンドレーエフ反射）

超伝導体/常伝導体（金属）界面における超伝導近接効果
superconductor

normal metalsuperconductor

Andreev
boundstates
L. Bretheau et al.
Nat. Phys. 13, 756 (2017).

S/N/S Josephson junction: Andreev reflection（アンドレーエフ反射）

本研究：フラクタル分布した超伝導SNS複合体の超伝導近接効果による位相コヒーレンス形成

自然界におけるフラクタル構造
フラクタル：図形の全体をいくつかの部分に分解していった時に全体と同じ形が再現されていく構造（自己相似構造）
オウム貝

氷の結晶成長ロマネスコ（ブロッコリー）

ニューラルネットワーク

樹枝World Wide Web (WWW)

https://ewm.swiss/en/blog/history-world-wide-webフラクタルネットワークの特徴
275

自己相似性
階層性

Positive feedback
Collective synchronization
Self organization
Network robustness, etc

M. Fratini et al. Nature, 466, 841 (2010).

The intense red–yellow peaks
represent locations in the sample
with high strength of thethree-dimensional interstitialoxygen (i-O) ordering, and dark
blue indicates spots of disorderedi-O domains.

Scale-free(self-similar)
fractal structureFractal structures enhance the superconductivity
M. Fratini et al. Nature, 466, 841 (2010).

Distribution of oxygen interstitials
More fractalLess fractal

Tc = 40 Kユニットセルの周期配列に基づくバンド理論とは異なる電子構造の発現の可能性

Tc = 16+32 K

Question:
超伝導体微粒子が常伝導マトリックス中にフラクタル的に分散したらどうなるだろうか?

Mg/MgO/MgB2 ナノ複合体

Mg/MgO/MgB2 ナノ複合体の合成
B2O3 + 5 Mg

3 MgO + Mg + MgB2700 oC, 3h, under flowing Ar atmospherevaporized powder(defective MgO)

B2O3:Mg=1:5

Mg/MgO/MgB211発光強度の励起フルエンス依存性
Excitation: A pulsed Nd:YAG laser (λ=266 nm, pulse width 8ns, repetition rate 10 Hz)
Beam spot size: φ=3mm
SEM ImageY. Uenaka and T. Uchino et al.
PRL 101, 117401 (2008).
PRB 79, 165107 (2009).
PRB 83, 195108 (2011).

The asterisk (*) indicates the second harmonic (532 nm)of the Nd:YAG laser contaminated in the incident beam.

MgO中の酸素空孔（カラーセンター）による室温ランダムレーザー発振

12Mg/MgO/MgB2 ナノ複合体の合成
B2O3 + 5 Mg

3 MgO + Mg + MgB2

700 oC, 3h, under flowing Ar atmospherevaporized powder(defective MgO)

B2O3:Mg=1:5

Mg/MgO/MgB213

14

Spin Density Distribution of cation vacancies at (100) MgO surface(1 0 0)VMg

T. Uchino and T. Yoko,Phys. Rev. B 85, 012407 (2012);
Phys. Rev. B 87, 144414 (2013).

Mg
OVMg

Directional spin delocalization over the low-coordinated surface O atoms

Ferromagnetic nanostructures
15

Magnetic properties of the Mg/MgO/MgB2 nanocomposite
T. Uchino, Y. Uenaka, H. Soma, T. Sakurai, and H. Ohta, J. Appl. Phys. 115, 063910 (2014).

M(H)

室温で強磁性的ヒステリシス

低温で強磁性と超伝導的なヒステリシスが共存
16

Magnetic properties of the Mg/MgO/MgB2 nanocomposite
T. Uchino, Y. Uenaka, H. Soma, T. Sakurai, and H. Ohta, J. Appl. Phys. 115, 063910 (2014).

M(H)

室温で強磁性的ヒステリシス

低温で強磁性と超伝導的なヒステリシスが共存
17

Spark Plasma Sintering (SPS)

Nano-sized powders can be sintered without considerable grain growth.

No coarsening and no grain growth: high relative densities in very short time18

XRD pattern of the SPS-treated sample:
Sintering temperature: 650 oC
Uniaxial pressure: 100 Mpa
Dynamic vacuum: ~50 Pa

Rietveld fitting

Volume fraction of MgB2 is well below the percolation threshold (~30 %).

FESEM/EDX, TEM/EDX and HR-TEM measurements
T. Uchino, N. Teramachi et al., Phys. Rev. B 101, 035146 (2020).

B: redMg: blue
O: green

HR-TEM

Low (x4,000) Magnification

Medium (x14,000) Magnification

Clean interfaces

High (x4,000,000) Magnification

20

Estimation of fractal dimension by
the box counting method
An object is covered by a grid of boxes of side length r andthe number of boxes N intercepted by the object is counted.

r2

log N

r1

log r
21

FESEM/EDX, TEM/EDX and HR-TEM measurements
B: redMg: blue
O: green

HR-TEM

Low (x4,000) Magnification

Medium (x14,000) Magnification

Clean interfaces

High (x4,000,000) Magnification

22

Fractal analysis of boron distribution: box counting method23Superconducting properties
Electrical resistivity ρ and magnetic susceptibility χ measurements
R-TM-T

24

Superconducting properties

MgB2/C system

Electrical resistivity ρ and magnetic susceptibility χ measurements
A. V. Pogrebnyakov et al. Appl. Phys. Lett. 85, 2017 (2014).

R-T R-T

M-T

25

Superconducting properties
Electrical resistivity ρ and magnetic susceptibility χ measurements
R-T

M-T

Perfect diamagnetism

A global Josephson phase coherence is achieved, showing a bulk-like superconducting behavior.

26

Superconducting properties
Magnetoresistivity measurements

Estimation of Josephson coherence length and penetration depth
Ginzburg-Landau theory

Type II superconductor

走査 SQUID 顕微鏡(SSM)による超伝導渦糸の観察
Current distribution

Schematic illustration of SC vortex
A. Glatz et al. J. Supercon. Novel Mag. 33, 127–141 (2020).

Scanning SQUID microscope image

磁気光学顕微鏡による磁束観察

sampleS. Ooi et al., Phys. Rev. B, 104, 064504 (2021).

Schematic of a MO microscope based on the Faraday effect in a sensor
film placed on the surface of a magnetic sample.

磁気光学顕微鏡による磁束観察

残留磁化状態：超伝導領域にピン留めされた磁束試料全体に分布残留磁化状態における渦糸電流分布
絶対強度ベクトル図

20 μm

試料全体にわたって渦糸電流が分布：常伝導領域にランダムにピン留めされた超伝導渦糸の存在
粒界も高い臨界電流密度を保持臨界電流密度Jcとピンニング力解析

2

スケーリング則の成立：等方的界面ピンニング機構

FESEM/EDX, TEM/EDX and HR-TEM measurements
HR-TEM

B: redMg: blue
O: green

Low (x4,000) Magnification

High (x4,000,000) Magnification

Medium (x14,000) Magnification

34

Proposed mechanism of the formation of the bulk like superconductivity

フラクタルネットワークを介した超伝導近接効果の階層的発現

強固な三次元的位相整合状態の形成

35Future works
Synthesis and investigation of proximitized materials using nanocomposites.
electronhole

semiconductor
metalelectronsuperconductor
Cooper pair
antiferromagnet
ferromagnet

ありがとうございました