超伝導を強める電子の「隠れた輪」を発見 ― 新しい超伝導材料設計への道筋 ―

2026-10-19 東北大学

東北大学などの共同研究グループは、超伝導合金 Pt(Bi₁₋ₓSeₓ)₂ において、電子が集まりやすい特殊な状態が点ではなく輪状に連なった「サドルループ(輪状特異点)」を発見した。研究では、放射光を用いた角度分解光電子分光(ARPES)と光電子運動量顕微鏡によって電子のエネルギーと運動量を測定し、原子置換の乱れを考慮した理論計算と照合した。その結果、3次元的な電子構造を持つ結晶中で、従来主に2次元材料で研究されてきたファン・ホーブ特異点に関連する電子状態が、環状に広がっていることを確認した。さらに、このサドルループが電子の占有エネルギーの境界であるフェルミ準位に近づく組成ほど、超伝導転移温度が高くなるという相関を明らかにした。本成果は、電子状態の幾何学的な特徴を手がかりに超伝導特性を制御する新たな設計指針を示し、より高い転移温度を持つ超伝導材料や新しい量子材料の探索につながると期待される。

超伝導を強める電子の「隠れた輪」を発見 ― 新しい超伝導材料設計への道筋 ―
図1.
(a) サドル点の模式図。電子バンドが水色の点線に沿って山(凸)、橙色の点線に沿って谷(凹)のようなエネルギー分散を示し、それらが交わる紫色の点がサドル点に対応する。
(b) サドルループの模式図。サドル点が紫色の輪に沿って連なった構造を持つ。

<関連情報>

サドルループ型ファン・ホーヴェ特異点の観測 Observation of a saddle-loop van Hove singularity

Y. Morita, K. Nakayama, N. Ito, T. Kato, T. Nakamura, H. Zhang, X. Tang, T. Lin, K. Yanagizawa, S. Souma, S. Masaki, T. Ikushima, Y. Moriyasu, K. Hagiwara, F. Matsui, K. Tanaka, K. Ozawa, D. Shiga, H. Kumigashira, M. Maeda, Y. Niimi, T. Kida, M. Hagiwara, T. K. Kim, … T. Sato
npj Quantum Materials  Published:25 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41535-026-00905-4

Abstract

Exploiting electronic singularities to drive emergent quantum phenomena is a key basis in condensed matter physics, yet this powerful strategy has been largely limited to two dimensions, leaving the potential of three-dimensional materials often inaccessible. A “saddle-loop” singularity—a one-dimensional ring of saddle points—has been proposed as a way to extend the concept of van Hove singularities to three-dimensional electron systems, but has remained experimentally elusive. Here, we provide the direct experimental evidence for the saddle‑loop singularity in Pt(Bi1−xSex)2, using angle‑resolved photoemission spectroscopy. We also show that the saddle loop is positioned closer to the Fermi level at low x values where the superconducting critical temperature is higher. Furthermore, our advanced theoretical calculations reveal that the saddle loop originates from inter-orbital hybridization, establishing a generalizable design concept. Our findings demonstrate a viable mechanism for realizing singular electronic states in three-dimensional electron systems, providing a platform to investigate correlation-driven phenomena in three dimensions.

1701物理及び化学
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