鉛筆の芯から次世代量子技術への突破口　MITが電気抵抗ゼロの新材料を発見

2025年6月2日

マサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学者チームが、超電導性と磁性という従来相反するとしてきた2つの性質を同時に持つ新しい超電導体を発見した。この画期的な発見は2025年5月22日発行の科学誌「Nature」に掲載された。超電導理論に新たな展開をもたらすものと期待されている。

100年の物理常識を覆す画期的発見

「磁石と超電導体は油と水のような関係」というのが、これまで100年以上にわたって科学者たちが持ってきた常識だった。超電導体は電気抵抗がゼロで電流を流せる一方、外部磁場を排斥する「マイスナー効果」を示すため、磁性とは本質的に相容れないものとされてきた。

しかし、MIT物理学部のLong Ju助教授率いる研究チームが発見した「キラル超電導体」は、電気抵抗ゼロの超電導性を示しながら、同時に内在的な磁性も持つという前例のない性質を示した。

「超電導体は磁場を嫌うというのが一般的な常識ですが、これは磁石として振る舞う超電導体の最初の観測例だと考えています。超電導性と磁性に対する人々の一般的な印象に反する、非常に奇妙な現象です」とジュー助教授は説明している。

さらに驚くべきことは、この特異な超電導性は鉛筆の芯にも使われる極めて一般的な材料であるグラファイト（黒鉛）で観測されたことだ。グラファイトは原子レベルで薄いグラフェンシートが無数に積み重なった構造を持つが、研究チームが注目したのは「菱面体構造」と呼ばれる特殊な積層パターンを持つ微細な領域だった。

特殊な構造が生み出す2つの超電導状態

研究チームは、4層または5層のグラフェンが階段状に積み重なった菱面体構造のグラファイトフレークを分離し、詳細な電気的測定を行った。これらのフレークを300ミリK（約-273℃）の極低温まで冷却すると、材料は超電導状態となり、電流は抵抗なく流れることを確認した。

最も興味深い発見は、外部磁場を変化させることで、このフレークが2つの異なる超電導状態を示すことだった。従来の超電導体であれば、磁場が臨界値に達するまで抵抗ゼロの状態を維持し、臨界値を超えると超電導性を失う。

しかし、この新しい材料では磁場の正負を切り替える際に一時的に抵抗が現れるものの、すぐにゼロに戻り、別の超電導状態に移行した。「まるで上向きから下向きに切り替わる磁石のように、2つの超電導状態を行き来している」と、研究チームの一員であるZach Hadjri氏は説明している。

研究チームは、この現象の原因が量子レベルでの電子の相互作用にあると考えている。極低温では熱振動が最小化され、材料中を流れる電子が互いを感知し、相互作用できる。

従来の超電導体では、電子は「クーパー対」と呼ばれるペアを形成し、異なる「バレー」（運動量状態）の電子同士が組み合わさることで全体の運動量がゼロとなる。しかし、この材料構造では、すべての電子が同じバレーを共有するため、電子ペアが「非ゼロ」の運動量とスピンを持つ。

「ペアの2つの電子が時計回りまたは反時計回りにスピンしていると考えられ、これが上向きまたは下向きの磁石に対応します」と、研究チームのTonghang Han氏は説明している。

量子技術革新への応用期待と今後の課題

この発見は、量子コンピューティング分野に革新的な影響を与える可能性がある。このキラル構造をもつ超電導体は「トポロジカル超電導体」の候補でもあり、より安定で制御しやすい量子ビットの開発につながる可能性がある。また、MRI装置などの医療機器に使用する超電導磁石の改良や、高速で低エネルギーのエレクトロニクス機器の開発にも応用できると期待される。

現在、この現象は極低温でのみ観測でき、実用化には技術的な課題が残る。また、なぜこのような現象が起こるのかについて、完全な理論的説明は今後の研究課題となっている。

「この材料で発見したことはすべて全く予想外でしたが、これはシンプルなシステムなので、何が起こっているのかを理解し、非常に深遠な物理学の原理を実証できる良いチャンスがあると思います」と、研究チームのメンバーで現在はフロリダ州立大学助教授のZhengguang Lu氏は述べている。

MIT物理学部のLiang Fu教授は「こんなにもシンプルな材料からこのような風変わりなカイラル超電導体が現れることは本当に驚くべきことです。菱面体グラファイトの超電導性は間違いなく多くのものを提供してくれるでしょう」とコメントしている。

この研究は米国エネルギー省とMathWorksフェローシップの支援を受けて行い、MITのほか、フロリダ州立大学、スイスのバーゼル大学、日本の物質・材料研究機構の研究者が参加した。