近接効果（超伝導）

2 つのコヒーレンス長、およびを持つ通常層と超伝導層における超伝導電子密度と深さの関係を示すグラフ。 ${\displaystyle \xi }$ ${\displaystyle \xi _{n}}$

近接効果またはホルム・マイスナー効果は、超伝導分野において、超伝導体（S）が「通常の」（N）非超伝導体と接触した際に生じる現象を説明する用語です。典型的には、超伝導体の臨界温度は抑制され、メソスコピック距離を超えると通常の物質に弱い超伝導の兆候が見られます。近接効果は、 1932年のラグナー・ホルムとヴァルター・マイスナーによる先駆的な研究以来知られています。^{[ 1 ] [ 2 ]}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隔てられたSNS圧接接触において、抵抗がゼロになることを観察しました。SNS接触における超伝導電流の発見は、ブライアン・ジョセフソンの1962年の研究によるものと誤解されることがあります。しかし、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。^{[ 3 ]}この効果の発見は、超伝導に関するアルバート・アインシュタインのモデルの無効性につながった。 ^{[ 2 ]} ${\displaystyle T_{c}}$

効果の起源

超伝導体の超伝導状態における電子は、通常の金属とは全く異なる秩序構造を持ち、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、物質中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端エネルギーまで、すべての電子状態は電子で満たされます。

金属中の電子は非局所性を持つため、その特性は急激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秩序化する。通常の金属では、電子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る）。超伝導体と通常の金属を近づけても、一方の系の電子秩序が境界で他の秩序に急激に無限に変化することはあり得ない。その代わりに、超伝導層の電子対状態が通常の金属に持ち越され、そこで散乱現象によって電子対が破壊され、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、電子対は数百ミクロンにわたって持続することがある。

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。

この挙動を単一電子過程の観点から記述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（他の物質における）状態を考慮することで、ある物質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記述します。

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接合の形成といった熱電現象と密接に関連しています。近接効果の増大は、 通常の物質が絶縁体(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近接効果の抑制は、通常の物質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。 ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$

研究

S/N、S/I、およびS/S'（S'は低位超伝導体）の二重層および多層構造の研究は、超伝導近接効果研究において特に活発な分野である。複合構造の界面平行方向の挙動は、界面垂直方向の挙動とは異なる。界面平行の磁場に曝露された第2種超伝導体では、渦糸欠陥はN層またはI層に優先的に核形成し、増加する磁場によってそれらがS層に押し込まれると、挙動に不連続性が観察される。第1種超伝導体では、同様に磁束はまずN層に浸透する。S/IまたはS/N界面に垂直に磁場を印加した場合、同様の挙動の質的変化は起こらない。低温におけるS/NおよびS/I多層構造では、クーパー対の長い浸透深さとコヒーレンス長により、S層は相互に3次元的な量子状態を維持する。温度が上昇すると、S層間の相互作用が破壊され、2次元的な挙動へのクロスオーバーが生じる。 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測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。 ^{[ 4 ]}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合わせ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にゼロ電圧がかかっている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、明確に定義された核を持つ量子渦が、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。^{[ 5 ]}

参照

• アンドレーエフ反射 – 常伝導体-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

1. ホルム、R.マイスナー、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。
2. Huebener, Rudolf P. (2019-11-16).導体、半導体、超伝導体：固体物理学入門. Springer Nature. ISBN 978-3-030-31420-0。
3. 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 .
4. Heersche, HB; et al. (2007). 「グラフェンにおける双極性超伝導電流」. Nature . 446 (7131): 56– 59. arXiv : cond-mat/0612121 . Bibcode : 2007Natur.446...56H . doi : 10.1038/nature05555 . PMID 17330038 . S2CID 4337771 .  
5. 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。Bibcode : 2018NatCo...9.2277S。土井: 10.1038/s41467-018-04582-1。PMC 5995889。PMID 29891870。  

• 金属と合金の超伝導、PG de Gennes著、ISBN 0-201-40842-2超伝導近接効果（本書では「境界効果」と呼ばれている）にかなりのスペースを割いている教科書です。

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