少数なのに強く結びつく高温超伝導電子を発見

2026-06-03 東京大学,東京理科大学,上智大学

東京大学、東京理科大学、上智大学の研究グループは、4層型銅酸化物高温超伝導体の内部に存在する「クリーンな超伝導層」を解析し、高温超伝導の新たな実像を明らかにした。従来研究されてきた超伝導層は電荷供給層由来の乱れの影響を受けていたが、本研究では乱れの極めて少ない内側の超伝導層を対象に、角度分解光電子分光と量子振動測定を実施した。その結果、反強磁性秩序を背景とする非常に小さなフェルミポケットが形成され、超伝導を担うキャリア数が極めて少ないにもかかわらず、超伝導体としては最大級の超伝導ギャップを示すことを発見した。これは電子同士が強く束縛され、分子状の電子対を形成するBEC的超伝導状態に近いことを意味する。従来のBCS理論が前提とする「キャリア数の多い金属状態」とは異なり、高温超伝導の本質が少数キャリアによる強結合量子状態にある可能性を示した。また、理論で仮定される理想的な超伝導層を実験的に直接観測したことで、長年存在した実験と理論の隔たりを埋め、高温超伝導機構解明に向けた重要な成果となった。

少数なのに強く結びつく高温超伝導電子を発見
4枚の超伝導面を有する銅酸化物高温超伝導体では、反強磁性秩序を背後とする少数キャリアが互いに強く結びつき、高い超伝導温度を実現する。

<関連情報>

高温超伝導銅酸化物の小さなフェルミポケットによって引き起こされるBCS-BECクロスオーバー BCS-BEC crossover driven by small Fermi pockets of a high-Tc cuprate superconductor

Junhyeok Jeong,Yamato Enomoto,Yoshimitsu Kohama,Tomotaka Nakayama,Kotaro Ando,Kifu Kurokawa,Soonsang Huh,Zhuo Yang,Toshihiro Nomura,Matthew D. Watson,Timur K. Kim,Cephise Cacho,Chun Lin,Makoto Hashimoto,Donghui Lu,Shiro Sakai,Takami Tohyama,Kazuyasu Tokiwa & Takeshi Kondo
Nature Communications  Published:02 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73081-5

Abstract

Fermi arcs observed in underdoped cuprates have sparked debate over whether they represent segments of a large Fermi surface or small Fermi pockets. This ambiguity has long hindered their classification as either the conventional Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) regime or the strongly coupled Bose-Einstein condensation (BEC) crossover limit. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy and quantum oscillations, we demonstrate the coexistence of a small Fermi pocket and a large superconducting gap in the clean inner CuO2 layers of the four-layer cuprate Ba2Ca3Cu4O8(F,O)2. This coexistence constitutes a hallmark of the BCS-BEC crossover and has remained elusive for decades. Despite the presence of antiferromagnetic (AF) order, the superconducting gap in the small pocket is remarkably large, yielding a gap-to-Fermi energy ratio (Δpocket/εF ~ 0.6) and a critical-to-Fermi temperature ratio (Tc/TF ~ 0.13) that reach the theoretical upper bound for two-dimensional superconductivity. Unexpectedly, this BCS-BEC crossover emerges not as the carrier density decreases but as it increases, abruptly within a narrow doping range of less than 1%. These results provide a long-sought microscopic foundation for the d-wave pairing mechanism in doped AF-Mott insulators.

1701物理及び化学
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