研究の背景と経緯
　ある種の物質を低温まで冷却すると、電気抵抗が突然ゼロになると同時に、外部から加えられた磁場が物質中に侵入できずに排斥される完全反磁性の特性を示すことがあり、この状態は超伝導状態として知られています。超伝導状態を説明する理論として代表的なものが1957年に発表されたBCS理論です（注2）。一方で近年、強相関電子系においても数多くの超伝導体が報告されていますが、これらの強相関電子系における超伝導状態はBCS理論のみでは全く説明出来ず、非従来型超伝導と呼ばれています。非従来型の超伝導を示す物質には、より室温に近い転移温度をもつ銅酸化物超伝導体や鉄系超伝導体などの高温超伝導体も存在することから、その発現機構の解明は現代の固体物理学における最重要課題の一つとなっています。
　レアアース元素であるCeをベースとした重い電子系超伝導体（注3）CeCu₂Si₂（Ce:セリウム、Cu：銅、Si:シリコン）は、1979年にドイツの研究者により約0.6ケルビン（約マイナス272度）で超伝導になることが報告された、非従来型超伝導の「先駆け」物質です。CeCu₂Si₂は銅酸化物高温超伝導体や鉄系超伝導体と多くの共通点を示すことから超伝導研究の鍵となる物質と考えられており、組成を変化させた際に磁気秩序相を生ずることから、磁気的なゆらぎを媒介とした超伝導機構が提唱されていました。超伝導の発現機構を解明するうえで有力な手がかりとなるものが超伝導電子の電子状態の対称性です。CeCu₂Si₂もその発見以来、電子状態の対称性について精力的な研究がなされており、磁気的機構を起源とした超伝導で期待されるd波型の対称性が実現しているとの見解が一般的でした。しかし高品質の試料を用いた最近の研究では、実はs波型の対称性であることが明らかにされています。
　ここで、重い電子系においては複数の電子軌道が物性に寄与しており、運動量が大きく異なる電子の集団が複数存在します。この条件下では、s波型の中でも、異なる電子集団の間で超伝導ギャップ（注4）の符号が反転する「ｓ±型」と反転しない「ｓ++型」とよばれる状態があります（図1）。ｓ±型は磁気的なゆらぎに基づく超伝導電子対の形成メカニズムと矛盾しないため、CeCu₂Si₂の超伝導発現機構に理論的な制約を与えるためには、このｓ波型のなかでの詳細な分類が重要となります。
　
研究成果の内容と意義
　異なる電子集団の間での超伝導ギャップの符号反転の有無を実験的に決定するために、本研究グループは超伝導体に導入した不純物が超伝導電子に与える影響に注目しました。符号反転がない場合には、不純物が超伝導電子対に与える影響はほとんど無いため、超伝導電子密度の温度依存性は不純物導入前後で変化しませんが、符号反転がある場合、不純物による散乱の効果で超伝導電子対が壊され、超伝導電子密度の温度依存性が劇的に変化します。本研究では、純良なCeCu₂Si₂単結晶に電子線を照射することによって試料の内部に磁性を持たない均一な格子欠陥（不純物）を導入したうえで、磁場侵入長（注5）の温度依存性を約30ミリケルビン（室温の1万分の1の温度）の極低温まで測定しました。さらに、同一の試料に対して繰り返し電子線照射を行うことで、試料依存性を排除した上で不純物の効果を系統的に調べました。
　実験の結果、照射量を増やしても、磁場侵入長の温度依存性そのものはほとんど変化しないこと、すなわち超伝導電子の壊れやすさは不純物にほとんど影響を受けないことが明らかになりました（図2）。超伝導ギャップに符号反転を有するd波型やｓ±型の超伝導体で、同様に不純物の影響を調べた先行研究と本研究とを比較するとその違いはより明瞭になります（図3）。ここでは、不純物が超伝導電子対を壊す「強さ」を表す量である不純物散乱パラメータに対して、磁場侵入長の変化を示してあります。符号反転を有するケースでは、比較的小さな散乱パラメータで温度の2乗に比例する依存性へと収束し、これは理論的に予測される結果と一致します。一方CeCu₂Si₂では、それらより十分大きな散乱パラメータでも温度依存性のべき指数は3を超えており、全く異なる電子状態であること、すなわち「ｓ++型」であることを明瞭に示しています。
　従来の理論では、磁気的な相関が支配的な系では「ｓ++型」の電子状態を取り得ないとされていましたが、最近提案された電子軌道の自由度を取り込んだモデルでは、この「ｓ++型」の電子状態となりうることが示されています。今回の実験結果は、このような今まで考慮されていなかった新奇な超伝導機構が深く関与していることを強く示唆するものです。
　本研究は、その発見以来長年に渡り議論が続いていたCeCu₂Si₂の超伝導発現機構に決定的な証拠を与える発見です。また、磁気秩序相の近傍では磁気的なゆらぎを媒介とした超伝導が出現する、という定説に再考を促す結果であり、強相関電子系における超伝導発現機構を理解する上で重要な手掛かりとなることが期待されます。

雑誌名：Physical Review Letters（2017年8月14日の週にオンライン掲載予定）
論文タイトル：Full-Gap Superconductivity Robust against Disorder in Heavy-fermion CeCu₂Si₂
著者：T. Takenaka, Y. Mizukami, J. A. Wilcox, M. Konczykowski, S. Seiro, C. Geibel, Y. Tokiwa, Y. Kasahara, C. Putzke, Y. Matsuda, A. Carrington and T. Shibauchi