Half-Heusler構造を持つLuPtBiは2つの意味で面白い物質である。1つ目は、対称性の破れた超伝導体であるということである。そこでは、結晶構造が空間反転対称性を持たないため、その超伝導対称性はスピンシングレット、もしくはトリプレットという量子数では表現できず、その混合状態が実現されていると考えられている。もう一つは、近年のバンド計算から予言されているように、強いスピン軌道相互作用のためにトポロジカルセミメタルになるということである。バンド計算においては、圧力を加え格子定数を減少させると、量子相転移を起こし通常の絶縁体になると予想されている。今回我々は、このような様々な量子現象を調べるために、LuPtBi単結晶を作製し輸送特性の磁場依存性、圧力依存性を測定した。その過程で、世界で初めてLuPtBiが超伝導を示すことを発見した。

図１aに抵抗率の温度依存性を示す。通常の金属と異なり、抵抗率の温度依存性はあまり大きくない。また、比較的大きな残留抵抗を示す。ここでは示さないが、すべての温度領域で非常に大きな磁気抵抗を示し、これらのことは、典型的な半金属の振舞いと一致し、バンド計算の予測通りである。図のInsetには低温部分を拡大した抵抗率及びAC磁化率の温度依存性を示す。1Kにおいて抵抗率とAC磁化率にはっきりと超伝導の転移が見られ、LuPtBiがバルクで超伝導になっていることを確認できる。Half-Heusler構造を持つXPtBi(Xは希土類)はXの種類によって、半導体、半金属、重い電子系、そして超伝導と様々な物性を示すが、その中でも、f電子を持たないX=Y, Laにおいて超伝導が見いだされている。今回発見されたLuPtBiもf電子が閉殻になっていて、これらのことから、f電子が伝導電子に寄与しないことが超伝導の発現に重要であることが分かる。

空間反転対称性の破れた超伝導(NCS) は、重い電子系のCePt3Siにおいて初めて発見された。この物質の面白い特徴の一つに上部臨界磁場H_c2が非常に大きく、パウリリミット を超えていることがあげられる。図１bにH_c2の温度依存性を示すが、H_c2～1.6Tと、パウリリミットH_P～1.85Tを超えていない。同じNCSでもf電子を持たないLi₂(Pd,Pt)₃Bにおいてもパウリリミットを超えておらず、この特徴は重い電子系のNCSにおいてのみ実現するものと考えられる。

*この研究は、理学部の海外若手派遣プログラムの援助により、カナダのシャーブルック大学との共同研究で行われた。





図1a:抵抗率の温度依存性、
Inset:低温における抵抗率とAC磁化率。
b:上部臨界磁場Hc2の温度依存性。