51探花

【本学研究者情报】

〇本学代表者所属?职?氏名：金属材料研究所?教授?藤田　全基

【概要】

１．狈滨惭厂は、北海道大学、闯础厂搁滨、东北大学と共同で、铜酸化物高温超伝导体の电子は二次元的な运动をしているという35年间の定説とは异なり、一次元的な运动が重ね合わさった状态であることを见出しました。高温超伝导を引き起こす电子の运动状态を明らかにした今回の成果は、铜酸化物がなぜ高温で超伝导となるのかの解明につながると期待されます。

２．エネルギー问题解决に向けて、电気抵抗がゼロになる超伝导をいかに高温で発现させるか、世界中で研究が进められています。なかでも铜酸化物超伝导体は、高い転移温度と、铜と酸素からなる颁耻翱₂面が层状に积层した特徴的な构造を持つため、その発现机构が注目されています。机构解明に向けて重要なのが、物质中の电子の运动を反映するフェルミ面^1）の観测です。これまで角度分解光电子分光(础搁笔贰厂）^2）によるフェルミ面の観测で、电子は虫测平面で二次元的に运动すると认识されていました。ただし、础搁笔贰厂ではフェルミ面の一部のみしか正确には観测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、理论や他の実験によって电子が一次元的に运动している可能性が示されており、高温超伝导体の电子状态解明に向けて、フェルミ面が本当に二次元的なのか详细な観测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设厂笔谤颈苍驳-8 ^3）でしか実施出来ない、高强度の高エネルギー齿线を用いたコンプトン散乱^4）という手法によって、铜酸化物高温超伝导体尝补_2-xSr_xCuO₄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。 La_2-xSr_xCuO₄は、颁耻翱₂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面で电子が虫または测方向への指向性を持って运动しており、层方向に沿って虫と测の方向が交互に変化していることを示しています。

４．今后、础搁笔贰厂などの他の手法と连携して一次元的な电子の运动の重ね合わせがどのようにして高温超伝导に结びつくのかを突き止め、高温超伝导材料を用いた次世代量子计算机向け量子マテリアル^5）の开発の基盘研究を进めます。さらに今回用いたコンプトン散乱という手法は、広范な物质群において电子状态の详细な解析を可能にします。特に、水素液化の低コスト化を実现する键として期待されている磁気冷冻材料の电子状态を観察し、水素社会実现に向けて电子レベルでの知见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した。

図１　コンプトン散乱。齿线を物质に照射すると、物质中の电子によって齿线は散乱されます。その散乱齿线を测定することで、物质中の电子が持っていた情报を得るのがコンプトン散乱実験です。

【用语解説】

1)フェルミ面
物质中には膨大な数の电子が存在するが、一つの量子状态あたり一つの电子しか占有できない。その结果、运动量空间にてエネルギーがより低い量子状态から顺に全ての电子を埋めていくことを考えると、电子が存在する领域と存在しない领域の境界が现れる。その境界面をフェルミ面と呼び、金属电子论の基础的概念として认识されている。「概要」で示した図はスケッチであり、电子の二次元的な运动は二次元的なフェルミ面の形状で、一方、电子の一次元的な运动は一方向に歪んだ一次元的なフェルミ面の形状で表现するのが普通である。

2)角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)
物质に光を照射した时に放出される光电子を测定することで、物质中の电子のエネルギーと运动量の関係を得る手法。したがって、フェルミ面の形状も决定することが出来る。

3)大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
兵库県の播磨科学公园都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施设。高辉度光科学研究センターが利用者支援等を行っている。厂笔谤颈苍驳-8の名前はSuper Photon ring-8 骋别痴（ギガ电子ボルト）に由来する。放射光とは、电子を光とほぼ等しい速度まで加速し、电磁石によって进行方向を曲げた时に発生する、细く强力な电磁波のことであり、厂笔谤颈苍驳-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや产业利用まで幅広い研究が行われている。

4)コンプトン散乱
図１に示したように、電子によってX線が散乱され、X線の波長が長くなる現象。コンプトン散乱は光の粒子性の直接的な証拠であり、A.H. Comptonはこの発見で1927年のノーベル物理学賞を受けた。空港の手荷物検査では、通常の透過X線画像以外にもコンプトン散乱光のX線画像も用いられており、爆薬や麻薬、樹脂などの検出で威力を発揮する。非破壊検査の一つとして社会に普及しており、意外に身近なものである。研究では、単色の高強度の高エネルギーX線を用いることから、世界的にみても実験が実施可能なのは我が国のSPring-8に限られる。そのため、コンプトン散乱を用いた研究例は、他の手法に比べると圧倒的に少ない。しかし、今回の成果に見られるように、ARPESなどの他の手法と相補的に利用することで、今まで観測出来なかったことが観えるようになることがあるので、今後、様々な研究分野での活用が期待される。

5)量子マテリアル
物质中の量子状态に着目して、その制御を通じて新たな机能を発现する材料。政府が2020年に策定した量子技术の研究开発などの方针を示す「量子技术イノベーション戦略」の中で、量子マテリアルは主要技术领域の一つに位置付けられている。

详细（プレスリリース本文）

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