日本筑波大学计算科学研究中心的小泉裕康副教授成功地在理论上阐明了用目前广泛应用的超导标准理论无法解释的一个现象，即当超导体在磁场中由超导状态相变为普通的金属状态时，超导电流不会产生焦耳热，而是消失。此次研究提出的新理论表明，应该认为“超导电流是通过贝里连接形成的集体模式所产生的回路电流集合”。另外他还发现，拉什巴型自旋轨道相互作用可能对贝里连接的产生非常重要。
目前的超导标准理论经常被指出在解释超导电流方面存在问题。此次的成果为应该如何变更基础理论以解决这个问题提供了一个指南。随着标准理论改变，还有望明确长期以来一直不清楚的铜氧化物高温超导的机制。另外，还有助于实现利用超导体作为量子比特、具备纠错功能的量子计算机。
研究背景
置于磁场中的超导体会表现出名为迈斯纳效应的现象，即会从内部消除磁场。由于这种特性，磁铁与超导体会相互排斥，因此可以使超导体悬浮于磁铁之上（图1）。产生迈斯纳效应时，为消除外部磁场，超导体表面在没有电阻的环境下流过电流（超导电流）。实验证明，这种超导电流在超导体由超导状态相变为普通的金属状态（常导状态）时不会产生焦耳热，而是消失了。不过，对于这种现象，此前一直没有明确的解释。
图1：在迈斯纳效应下悬浮于超导体之上的磁铁
目前，解释超导现象以BCS理论为标准理论。该理论认为，形成自旋方向相反的电子对（库珀对）是出现超导的原因，电子对的流动、即超导电流可以在没有电阻的情况下流动（图2左）。另外，由超导状态相变为常导状态时，电子对在相变点附近被破坏，变成普通的电子，因此这些电子的电流会产生焦耳热。不过，这个解释与实验结果矛盾，成为标准理论存在的问题之一。
图2：标准理论与新理论的差异
研究内容与成果
此次的研究从理论上研究了超导电流的能量与磁场的能量在由超导状态相变为常导状态时会如何变化。理论物理学会建立用数学公式表达的理论，并研究其与已知实验结果的一致性，然后预测新的实验结果。此次基于这样的研究得出以下结论：如果认为“超导电流是贝里连接形成的集体模式所产生的回路电流的集合”，那么就与实验结果高度一致，由此作为新理论提出（图2右）。
这种电流是受拓扑保护的，会产生与被称作“拓扑量子数”的整数对应的电流，随着该整数变为零，就会发生电流的不连续消失。这样就可以解释为何超导电流不产生焦耳热而是消失。该结果意味着，需要彻底改变标准理论的超导电流生成机制。另外还表明，超导电流起源于通过贝里连接形成的集体模式的说法比较有说服力，拉什巴型自旋轨道相互作用可能在贝里连接的形成中发挥了重要作用。
未来展望
今后需要确认此次研究提出的新理论预测的回路电流。实际上，各种实验均表明，铜氧化物高温超导体在超导相的高温侧存在名为“伪间隙相”的超导相前体相，前体相中存在回路电流。这很可能就是本次研究提出的回路电流。理论上预测，回路电流可以用于量子计算机的量子比特，通过将环路电流作为量子比特，或许能实现可纠错的量子计算机。
论文信息
题目：Reversible superconducting-normal phase transition in a magnetic field and the existence of topologically-protected loop currents that appear and disappear without Joule heating
发表期刊：Europhysics Letters
DOI：10.1209/0295-5075/131/37001
文：JST客观日本编辑部
