量子ビームの合わせ技で電子の動きを捉える-三種の非弾性散乱を用いて銅酸化物高温超伝導体における電子励起状態の全体像を解明-

2014.04.30

 遠山貴巳 東京理科大学教授 (元京都大学基礎物理学研究所教授)、石井賢司 日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究センター研究主幹、藤田全基 東北大学金属材料研究所教授らは、ミラノ工科大学、欧州シンクロトロン放射光施設、J-PARCセンター、一般財団法人総合科学研究機構、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構、学校法人関西学院との共同研究により、銅酸化物超伝導体における電子の動きの全体像を解明することに成功しました。

 本研究内容は、英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に2014年4月25日に掲載されました。

概要

 銅酸化物高温超伝導体は、現在知られている中では最も高い温度(約マイナス120度)で超伝導体となる物質であり、その発現機構解明を目指した研究が続いています。銅酸化物において超伝導を引き起こすためには、電子間のクーロン相互作用によって反強磁性絶縁体となった母物質に電荷(電子またはホール)をドープすることが必要です。超伝導を担う電子にはスピンと電荷という特性がありますが、電荷をドープするにつれて、反強磁性を担っていた電子のスピンやドープされた電荷の動きがどのように変遷していき、さらにその結果として超伝導となるかを知ることが、銅酸化物の超伝導を理解する鍵と言えます。

 今回、本研究グループは、電子をドープした銅酸化物超伝導体に対して、三種の量子ビーム、軟X線、中性子、硬X線を使用した非弾性散乱実験をそれぞれ欧州シンクロトロン放射光施設(ESRF)、J-PARC、SPring-8で行いました。スピンの励起については低エネルギー側を中性子、高エネルギー側を軟X線、電荷の励起は低エネルギー側を軟X線、高エネルギー側を硬X線と、それぞれの特長に合わせて役割を分担させて観測することにしました。

 その結果スピンと電荷の励起のエネルギー・運動量空間における全体像を明らかにすることに世界で初めて成功しました。

図:銅酸化物超伝導体におけるスピン・電荷励起の概略図  電子ドーピングにより、 スピン励起が高エネルギーにシフトし、幅が増大 スピン励起が電荷励起と重畳 →電子がより動きやすい(遍歴的)状態(ホールドープ型と対照的な変化
図:銅酸化物超伝導体におけるスピン・電荷励起の概略図 電子ドーピングにより、 スピン励起が高エネルギーにシフトし、幅が増大 スピン励起が電荷励起と重畳 →電子がより動きやすい(遍歴的)状態(ホールドープ型と対照的な変化

研究者からのコメント

 銅酸化物では電子とホールのどちらをドープしても超伝導が出現するという特徴がありますが、今回の研究結果から、電子とホールではその動き方が大きく異なっていることがわかりました。今後、このような電子とホールの動きを統一的に記述するような理論モデルを探索することで、銅酸化物における超伝導発現機構解明に近づき、さらにはより高い温度での超伝導体やそれを利用したロスの無い送電線などの画期的な超伝導応用への道が拓かれるものと期待されます。

 また、本研究は、電子の動きを調べるための非弾性散乱において、放射光X線と中性子を組み合わせた研究が有用であることを初めて示したものでもあります。非弾性散乱の技術的な発展は現在も続いており、このような量子ビームの相補利用に理論を加えた電子励起の研究が、物理学上の難題解決をこれから加速していくものと考えています。

詳しい研究内容について

書誌情報

K. Ishii, M. Fujit2, T. Sasaki, M. Minola, G. Dellea, C. Mazzoli, K. Kummer, G. Ghiringhelli, L. Braicovich, T. Tohyama,w, K. Tsutsumi, K. Sato, R. Kajimoto, K. Ikeuchi, K. Yamada, M. Yoshida, M. Kurooka & J. Mizuki
"High-energy spin and charge excitations in electron-doped copper oxide superconductors"
Nature Communications 5, Article number: 3714 Published 25 April 2014