プレスリリース

2016.05.30

高温超伝導体の2つの顔 -磁場によって明らかになった超伝導と電荷秩序の競合 - : 物理工学専攻 為ヶ井強准教授ら

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター創発物性計測研究チームの町田理特別研究員、花栗哲郎チームリーダー、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の為ヶ井強准教授らの共同研究チームは、銅酸化物高温超伝導体における電子が持つ超伝導と電荷秩序の二面性が、磁場中で2種類の電子の模様となって現れることを発見しました。

銅酸化物高温超伝導体は他の超伝導体に比べ高い温度で超伝導を示す物質で、送電ケーブルや強力な磁場を発生させる電磁石への応用が始まっています。しかし、超伝導が発現するメカニズムは未だ分かっておらず、物性物理学最大の謎とされています。これまでの研究で、銅酸化物高温超伝導体の中の電子は超伝導になったり、特徴的な空間パターンを持つ電荷秩序を示したりすることが分かっています。しかし、その電子状態の全体像はおろか、超伝導と電荷秩序の関係も明らかになっていませんでした。

今回、共同研究チームは、銅酸化物超伝導体「Bi2Sr2CaCu2O8+d」(Bi:ビスマス、Sr:ストロンチウム、Ca:カルシウム、Cu:銅、O:酸素)に強い磁場を加えて「渦糸(うずいと)」と呼ばれる局所的に超伝導が抑制された領域を導入し、そこでの電子状態の空間構造を走査型トンネル顕微鏡法/分光法(STM/STS)を用いて、直接観察することに成功しました。渦糸内部では、超伝導状態が壊れたときにできる電子の波が干渉して作る模様と、電荷秩序に起因する電子の模様が、同じ場所で異なるエネルギーに現れていました。電荷秩序の模様は渦糸がないときにも存在していましたが、渦糸の導入でより明瞭になることが分かりました。これは、「超伝導の抑制が電荷秩序を増強している」ことを意味し、両者が競合関係にあることを示しています。この結果は、銅酸化物超伝導体の電子状態の全体像の理解、さらには超伝導発現機構の解明へ向けた重要な知見になります。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Communications』(5月27日付)に掲載されます。

 

1 STM/STS で観察した渦糸の画像
超伝導ギャップ以下の低エネルギー領域における電子の分布を表している。磁場を観察している
試料の表面に垂直に加えており、渦糸の水平断面が観察できる配置になっている。明るく見え
る部分に渦糸が通っている。渦糸の近くでは、格子状の模様が観察されるが、これは、渦糸で
散乱された電子の波が干渉して作る定在波(波の進行が止まり、振動が同じ場所で繰り返され
ているように観測できる現象)と考えられる。1 nm(ナノメートル)は10 億分の1 m

 

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Abstract URL: http://www.nature.com/ncomms/2016/160527/ncomms11747/full/ncomms11747.html