銅酸化物高温超伝導体の電子状態の定説が覆る ~一次元的な動きの重ね合わせをコンプトン散乱で初観測~

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2021-04-13 物質・材料研究機構 ,北海道大学,高輝度光科学研究センター ,東北大学

NIMSは、北海道大学、JASRI、東北大学と共同で、銅酸化物高温超伝導体の電子は二次元的な運動をしているという35年間の定説とは異なり、一次元的な運動が重ね合わさった状態であることを見出しました。

概要

  1. NIMSは、北海道大学、JASRI、東北大学と共同で、銅酸化物高温超伝導体の電子は二次元的な運動をしているという35年間の定説とは異なり、一次元的な運動が重ね合わさった状態であることを見出しました。高温超伝導を引き起こす電子の運動状態を明らかにした今回の成果は、銅酸化物がなぜ高温で超伝導となるのかの解明につながると期待されます。
  2. エネルギー問題解決に向けて、電気抵抗がゼロになる超伝導をいかに高温で発現させるか、世界中で研究が進められています。なかでも銅酸化物超伝導体は、高い転移温度と、銅と酸素からなるCuO2面が層状に積層した特徴的な構造を持つため、その発現機構が注目されています。機構解明に向けて重要なのが、物質中の電子の運動を反映するフェルミ面の観測です。これまで角度分解光電子分光(ARPES) によるフェルミ面の観測で、電子はxy平面で二次元的に運動すると認識されていました。ただし、ARPESではフェルミ面の一部のみしか正確には観測できておらず全体の形状は明らかになっていませんでした。一方、近年、理論や他の実験によって電子が一次元的に運動している可能性が示されており、高温超伝導体の電子状態解明に向けて、フェルミ面が本当に二次元的なのか詳細な観測が求められていました。
  3. 今回、研究チームは、世界的にも大型放射光施設SPring-8でしか実施出来ない、高強度の高エネルギーX線を用いたコンプトン散乱という手法によって、銅酸化物高温超伝導体La2-xSrxCuO4におけるフェルミ面の詳細な観測を行いました。その結果、35年間信じられてきた従来の二次元的なフェルミ面の形状ではなく、一次元的な電子の運動が重なり合った状態であることを実験的に示すことに初めて成功しました。 La2-xSrxCuO4は、CuO2面が層状に積層した構造をしていますが、観測データは、各CuO2面で電子がxまたはy方向への指向性を持って運動しており、層方向に沿ってxとyの方向が交互に変化していることを示しています。
  4. 今後、ARPESなどの他の手法と連携して一次元的な電子の運動の重ね合わせがどのようにして高温超伝導に結びつくのかを突き止め、高温超伝導材料を用いた次世代量子計算機向け量子マテリアルの開発の基盤研究を進めます。さらに今回用いたコンプトン散乱という手法は、広範な物質群において電子状態の詳細な解析を可能にします。特に、水素液化の低コスト化を実現する鍵として期待されている磁気冷凍材料の電子状態を観察し、水素社会実現に向けて電子レベルでの知見を提供することを目指します。
  5. 本研究は、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点量子物質特性グループの山瀬博之主幹研究員 (北海道大学大学院理学院物性物理学専攻客員教授 (連携分野教員) 兼務) 、高輝度光科学研究センターの櫻井吉晴博士、東北大学金属材料研究所の藤田全基教授らにより行われました。なお、本研究は、科研費基盤研究 (B)「コンプトン散乱と角度分解光電子分光の相補利用で検証する銅酸化物のフェルミ面」 (JP20H01856) やJST未来社会創造事業「磁気冷凍技術による革新的水素液化システムの開発」 (JPMJMI18A3) などの支援を受けて行われました。本研究成果は、Nature Communications誌にて英国時間2021年4月13日午前10時 (日本時間13日午後7時) にオンライン掲載されます。

「プレスリリース中の図3 : コンプトン散乱実験で観測した電子の運動量分布。強度が強いほどその領域での電子の占有率が大きいことを示しています。フェルミ面は、強度が強い領域と弱い領域の中間に位置し、フェルミ面上に沿って強度はほぼ一定であることが期待されます。」の画像

図3 : コンプトン散乱実験で観測した電子の運動量分布。
強度が強いほどその領域での電子の占有率が大きいことを示しています。フェルミ面は、強度が強い領域と弱い領域の中間に位置し、フェルミ面上に沿って強度はほぼ一定であることが期待されます。

掲載論文

題目 : Fermi surface in La-based cuprate superconductors from Compton scattering imaging
著者 : Hiroyuki Yamase, Yoshiharu Sakurai, Masaki Fujita, Shuichi Wakimoto, Kazuyoshi Yamada
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 英国時間2021年4月13日10時 (日本時間13日19時)
DOI : 10.1038/s41467-021-22229-6

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