銅酸化物の高温超伝導体で特殊な電子状態「ノード金属」を発見~三層構造が高い超伝導を実現する仕組みの解明へ~

2025-11-07 広島大学

広島大学大学院先進理工系科学研究科の小林拓人助教らの研究チームは、銅酸化物系高温超伝導体「三層ビスマス系Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀₊δ(Bi-2223)」において、電子が線状にのみ存在する特殊な金属状態「ノード金属(nodal metal)」を世界で初めて観測した。レーザー角度分解光電子分光(ARPES)による超高精度測定の結果、電子のエネルギーギャップが部分的に消失し、金属的伝導と超伝導的性質が共存する状態を確認。この現象は、超伝導層間の相互作用が強く働くことで生じるものであり、層数の違いが臨界温度(Tc)上昇の鍵である可能性を示唆した。これまで高温超伝導の発現機構は未解明だったが、本成果は電子構造の層間結合が重要であることを実験的に裏付けるものである。今後は、他の多層系物質への応用を通じて、より高い超伝導温度の実現に貢献が期待される。研究成果はNature Communications誌に掲載。

銅酸化物の高温超伝導体で特殊な電子状態「ノード金属」を発見~三層構造が高い超伝導を実現する仕組みの解明へ~
図1: 3枚の超伝導層(CuO2面)をもつ三層系銅酸化物高温超伝導体の結晶構造。

<関連情報>

三層銅酸化物における極端にドープされていないCuO 2面における近接誘起ノード金属 Proximity-induced nodal metal in an extremely underdoped CuO2 plane in triple-layer cuprates

Shin-ichiro Ideta,Shintaro Adachi,Takashi Noji,Shunpei Yamaguchi,Nae Sasaki,Shigeyuki Ishida,Shin-ichi Uchida,Takenori Fujii,Takao Watanabe,Wen O. Wang,Brian Moritz,Thomas P. Devereaux,Masashi Arita,Chung-Yu Mou,Teppei Yoshida,Kiyohisa Tanaka,Ting-Kuo Lee & Atsushi Fujimori
Nature Communications  Published:27 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64492-x

Abstract

We performed angle-resolved photoemission spectroscopy studies on the triple-layer Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ over a wide doping range. Although the doping level of the inner CuO2 plane is extremely low in underdoped samples, the d-wave SC gap is enhanced to the unprecedentedly large value of Δ0 ~ 80–100 meV at the antinode. This gap persists well above Tc without a Fermi arc, indicating a “nodal metal”. We attribute the nodal metallic behavior to the unique local environment of the inner clean CuO2 plane, sandwiched by nearly optimally-doped two outer planes and hence subject to strong proximity effect from both sides. In the nodal metal, quasiparticle peaks show electron-hole symmetry, suggesting d-wave pairing fluctuations. Thus the proximity effect on the innermost CuO2 plane is the strongest in the triple-layer cuprates, which explains why the Tc reaches the maximum at the layer number of three in every multi-layer cuprate family.

0501セラミックス及び無機化学製品
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