最古の銅酸化物で新しい超伝導状態が実現~反強磁性と超伝導の二面性を併せ持つ銅酸化物高温超伝導の新展開に期待~

2025-08-28 京都大学

京都大学の石田憲二教授らの研究グループは、銅酸化物高温超伝導体の母物質として最古に知られる反強磁性絶縁体 La₂CuO₄ に、微量の酸素をドープすることで、超伝導転移温度32Kの超伝導状態を発現させました。従来の銅酸化物超伝導体ではSrやBa置換により反強磁性を抑制して超伝導を実現してきましたが、本研究では反強磁性秩序がほとんど失われないまま超伝導と共存することが確認されました。特に、ネール状態にある伝導キャリアが広がって形成する超伝導と、Cuに局在する磁気モーメントが作る反強磁性が同時に存在する現象はこれまで報告されておらず、対立する性質の共存が最古の銅酸化物で起こることが判明しました。この成果は、磁性と超伝導の関係に新たな側面を提示し、銅酸化物超伝導研究の新展開につながると期待されます。研究成果は2025年8月27日付で国際誌 Scientific Reports に掲載されました。

最古の銅酸化物で新しい超伝導状態が実現~反強磁性と超伝導の二面性を併せ持つ銅酸化物高温超伝導の新展開に期待~わずかに酸素をドープした単層型銅酸化物La2CuO4+δで、ネール状態と超伝導状態の共存状態が見つかった。CuO2層上で広がりを持つ伝導キャリア(青丸)が作る超伝導状態と、Cuに局在する磁気モーメント(赤矢印)が作るネール状態は、本来は水と油のように相容れない状態である。対立する性質が融和した斬新な共存状態が、最古の銅酸化物で実現していたことが分かった。

<関連情報>

無限段単層銅酸化物La2CuO4+δにおけるネール状態から生じる超伝導性 Superconductivity emerging from the Néel state in infinite-stage single-layer cuprate La2CuO4+δ

Yoshihiko Ihara,Ramender Kumar,Kota Miyakoshi,Migaku Oda & Kenji Ishida
Scientific Reports Published:DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-11950-7

Abstract

In copper oxides (cuprates) with single CuO2 layer such as La2-x Ba(Sr)xCuO4, antiferromagnetism coexists with superconductivity at small doping levels x, where chemical disorders are significant. Here, we report that superconductivity occurs in a uniform and fully ordered Néel state in a single-layer cuprate LaCu2O4+δ with a small amount of excess oxygen(δ-0.015) as demonstrated by the 139La nuclear quadrupole resonance measurement. A uniform oxygen distribution in the crystal is crucial for achieving microscopic phase coexistence and overcoming the miscibility gap associated with the staging instability; self-organized periodic oxygen arrangement driven by mobile oxygen atoms. This finding prompts the reconsideration of superconductivity in cuprates, highlighting that it can emerge in a robust Néel state that retains sizable magnetic moments and hosts only a small carrier density.

1701物理及び化学
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