光誘起超伝導：非平衡相転移が拓く新しい材料機能と制御への挑戦
序論：非平衡状態における物質の新しい相と機能
物質はその温度や圧力といった外部環境に応じて、固体、液体、気体といった異なる相を示します。これらの相転移は、通常、十分に平衡な状態において理解されてきました。しかし、近年、物質を極めて短い時間スケールで外部から強く励起し、意図的に非平衡状態を作り出すことで、平衡状態では現れないような新しい相や機能が一時的に発現することが注目されています。光、特に超短パルスレーザーを用いた励起は、このような非平衡状態を生成する強力な手段の一つです。
超伝導もまた、低温や高圧といった特定の条件下で現れる一つの相であり、その発現には電子間や電子-格子間の相互作用が深く関わっています。光を用いて物質を励起する際に、この超伝導相、あるいは超伝導と競合する相（例：電荷秩序相、スピン秩序相など）を動的に制御したり、全く新しい超伝導状態を一時的に誘起したりする研究が活発に行われています。これが「光誘起超伝導」と呼ばれる現象です。
本稿では、この光誘起超伝導の基本的な考え方、光による超伝導誘起のメカニズム、研究が進められている主要な材料系、そして材料科学的な観点からの制御可能性と応用への展望について解説します。非平衡物理が拓く物質機能開発の新しい地平を理解する一助となれば幸いです。
光誘起超伝導の基本的な考え方
光誘起超伝導の研究は、主にポンプ・プローブ分光法という実験手法によって行われます。これは、物質に対して「ポンプ光」と呼ばれる強力な超短パルスレーザー光を照射して非平衡状態を作り出し、その直後から様々な時間遅延をもって「プローブ光」（別のレーザーパルスやX線パルスなど）を照射し、物質の状態が時間と共にどのように変化するかを測定する手法です。プローブ光としては、物質の透過率、反射率、回折パターンなどを測定することが多く、これにより電子状態や結晶構造のダイナミクスを追跡します。
光誘起超伝導の文脈では、特に物質の電気伝導度や磁化率といった超伝導に関連する物性の変化がプローブされます。ポンプ光によって平衡状態から外れた物質が、一時的に電気抵抗ゼロやマイスナー効果といった超伝導の特徴を示すかどうかを観測するわけです。この現象は、光励起によって一時的に超伝導を抑制していた別の秩序状態（例えば電荷密度波やスピン密度波）が融解したり、逆に超伝導に有利な相互作用が一時的に強められたりすることで起こると考えられています。
重要なのは、この光誘起超伝導状態が平衡状態として存在するわけではない点です。ポンプ光による励起後、物質は通常、ピコ秒からナノ秒といった極めて短い時間スケールで元の平衡状態へと緩和していきます。光誘起超伝導は、この緩和過程の一時的な状態として観測される非平衡相転移現象なのです。
光による超伝導誘起メカニズム
光が物質に吸収されると、電子や格子（フォノン）が励起されます。これらの励起がどのように超伝導状態を誘起するのか、具体的なメカニズムは材料系によって異なり、現在も研究の最前線です。いくつかの提案されている主要なメカニズムを以下に示します。
1. 競合する秩序状態の抑制・融解
多くの超伝導体、特に高温超伝導体や有機超伝導体では、超伝導相の近傍に電荷秩序相（電荷密度波など）やスピン秩序相（スピン密度波、反強磁性など）といった別の秩序状態が存在し、低温で超伝導と競合あるいは共存しています。これらの競合する秩序状態は、キャリアの運動を妨げたり、超伝導対形成を抑制したりする効果を持ちます。
光励起によってこれらの競合秩序状態を構成する電子や格子が乱されると、秩序が一時的に破壊され、キャリアが解放されたり、超伝導対形成に対する抑制が取り除かれたりします。結果として、一時的に超伝導が有利な状態が実現し、超伝導状態が誘起されるというメカニズムです。これは、超伝導が抑制されている温度や磁場下で特に顕著に観測されることがあります。
2. 超伝導に有利な格子振動（フォノン）の励起
BCS理論に代表される従来型超伝導では、電子間に働く引力相互作用をフォノンが媒介します。特定のフォノンモード（格子振動のパターン）が電子間の引力を強め、クーパー対形成を促進することが知られています。
物質に特定の波長の光（通常は赤外領域の光）を照射することで、超伝導対形成に有利に働く特定のフォノンモードを選択的に強く励起できる場合があります。このような選択的励起によって、一時的に電子-フォノン相互作用が強まり、超伝導状態が誘起される可能性が示唆されています。これは「コヒーレントフォノン励起」と呼ばれる現象と関連が深く、励起されたフォノンの振動が続く間、超伝導状態が維持されると考えられます。
3. 電子励起による新しい相互作用の創出
ポンプ光によって直接、物質中の電子を高いエネルギー状態に励起することも可能です。この電子励起が、電子間の相互作用の仕方を一時的に変化させ、平衡状態とは異なる新しい超伝導対形成メカニズムや、超伝導を促進するような有効的な相互作用を創出する可能性も議論されています。例えば、バンド構造の変調や、多体相互作用の変化などが挙げられます。
これらのメカニズムは単独で働くとは限らず、複数のメカニズムが複合的に関与している場合も多いと考えられています。どのようなメカニズムが支配的であるかは、物質の種類、光の波長、強度、パルス幅といった励起条件によって大きく異なります。
光誘起超伝導が研究されている材料系
光誘起超伝導は、様々な種類の超伝導体候補材料で観測されています。特に、超伝導相の近傍に他の秩序状態が存在するような強相関電子系や低次元電子系で多く報告されています。
- 銅酸化物高温超伝導体: 反強磁性相や擬ギャップ相、ストライプ相といった超伝導と競合する様々な秩序状態が存在します。光励起によるこれらの秩序の融解が、超伝導状態の一時的な増強や誘起を引き起こすことが観測されています。例えば、La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$のような材料系で研究が進んでいます。
- 有機超伝導体: 電荷密度波やスピン密度波と超伝導が競合する系が多く存在します。ET系塩などにおいて、ポンプ光照射後の非抵抗状態の観測が報告されています。格子構造の柔軟性が高いため、格子振動励起による超伝導誘起のメカニズムも重要視されています。
- 鉄系超伝導体: スピン密度波や構造相転移と超伝導が密接に関係しています。光励起によるこれらの競合秩序の抑制が研究されています。
- トポロジカル物質: トポロジカル絶縁体やワイル半金属などに超伝導を導入した系でも、光励起による興味深い現象が報告され始めています。
これらの材料系において、光誘起超伝導は平衡状態の相図からは予測できない振る舞いを示すことがあり、超伝導の発現機構そのものの理解を深める上でも重要な示唆を与えています。
材料物性との関連と制御の可能性
光誘起超伝導は、材料の様々な物性と深く関連しています。
- 光吸収特性: 励起光の波長は、材料の電子構造（バンドギャップ、励起子準位など）やフォノンの振動数にマッチしている必要があります。材料の組成や構造を調整することで、特定の波長の光に対する吸収特性を制御し、望む励起状態を作り出しやすくすることが考えられます。
- 電子構造と競合秩序: 材料の電子構造は、超伝導相だけでなく、競合する他の秩序相の性質も決定します。組成置換やドーピングによって電子構造を変化させ、競合秩序の安定性や性質をチューニングすることで、光励起による超伝導誘起の効率や持続時間を制御できる可能性があります。
- 格子構造とフォノン: 格子構造はフォノンの分散関係（振動数と運動量の関係）を決定します。特定のフォノンモードを選択的に励起するためには、材料の格子構造と励起光の波長・偏光の組み合わせが重要になります。人工的な構造（超格子など）を設計することで、フォノンエンジニアリングを行い、超伝導誘起に有利なフォノンを積極的に利用する研究も考えられます。
- 結晶欠陥や不純物: 結晶中の欠陥や不純物は、キャリアの散乱や秩序状態に影響を与えます。これらの導入・制御が、光励起された非平衡状態の緩和ダイナミクスや、誘起される超伝導状態の性質に影響を与える可能性があります。
このように、材料の組成、結晶構造、電子状態といった基本的な物性を理解し、制御することが、光誘起超伝導現象を深く探求し、さらには望ましい機能を引き出す上で不可欠となります。ポンプ光の強度、パルス幅、波長だけでなく、プローブするタイミングや、外部磁場、静水圧といった他の外部パラメーターとの組み合わせによる研究も、材料の非平衡応答を理解する上で重要です。
応用への可能性と最新研究動向
光誘起超伝導は、その現象が一時的であるからこそ、ユニークな応用可能性を秘めています。
超高速光スイッチング・デバイス
超伝導状態はゼロ抵抗という極めて特異な電気伝導状態です。光によって超伝導状態と常伝導状態（または別の秩序状態）を瞬時に切り替えることができれば、超高速の電気スイッチング素子として応用できる可能性があります。ポンプ光パルスの時間幅はピコ秒以下も可能であり、これに対応する超高速応答が期待されます。このようなデバイスは、将来のエレクトロニクスや光通信分野で新しいブレークスルーをもたらすかもしれません。
新しい量子機能デバイス
光誘起によって発現する超伝導状態が、平衡状態の超伝導体とは異なる性質（例えば、ペアリング対称性や励起スペクトルなど）を持つ可能性も示唆されています。もしそうであれば、平衡状態では実現困難な新しい量子機能を持つデバイス創製につながるかもしれません。例えば、量子コンピュータにおける新しいタイプの量子ビットや、テラヘルツ周波数帯での新しい光学応答などが考えられます。
室温超伝導への挑戦
平衡状態での室温超伝導の実現は極めて困難ですが、非平衡状態であれば、一時的にでも室温で超伝導状態が実現する可能性が全くないわけではありません。非常に短い時間スケールで特定の相互作用を極限まで高めることができれば、一時的な室温超伝導状態を観測できるかもしれません。これは基礎研究として非常に挑戦的ですが、将来的なブレークスルーにつながる可能性を秘めています。
最新の研究動向としては、新しい材料系（例：ニッケル系超伝導体、重いフェルミオン系など）での光誘起超伝導の探索、複数の光パルスを用いた精密な非平衡状態制御、テラヘルツ光や中赤外光を用いたフォノン選択励起による超伝導誘起の効率向上、理論計算と連携したメカニズム解明などが活発に行われています。また、マイクロ波などの他の外部場と光励起を組み合わせる研究も進められています。
まとめと材料開発への示唆
光誘起超伝導は、光という外部場を用いて物質の非平衡状態を操り、平衡状態では得られない超伝導相を一時的に実現する興味深い現象です。これは単に新しい物理現象の発見に留まらず、超高速スイッチング素子や新しい量子機能デバイスといった応用への可能性を秘めています。
材料開発に携わる研究者の方々にとっては、この分野は新しい材料設計のインスピレーションを与え得るものです。特定の光に応答しやすい材料構造、光励起によって特定の秩序状態が効果的に抑制される材料設計、あるいは超伝導誘起に有利なフォノンモードを持つ人工的な格子構造など、材料の持つ光応答性、電子構造、格子構造といった物性を非平衡ダイナミクスの観点から理解し、制御するアプローチが重要になります。平衡状態での超伝導体開発とは異なる物理と材料科学の視点が求められます。
相転移と超伝導は奥深い現象ですが、そこに「非平衡」という視点と「光」という外部場が加わることで、さらに多様でエキサイティングな研究分野が拓けています。本稿が、材料研究における新しい技術シーズ探索や、異分野の物理現象への理解を深める一助となれば幸いです。非平衡相転移を利用した材料機能開発は、今後ますます発展していくと考えられます。