カゴメ格子超伝導を担う電子軌道を解明 -- 放射光を用いた先端電子計測で照らし出す --

2022年11月14日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科　物理学専攻
助教　中山耕辅（なかやまこうすけ）

【発表のポイント】

昨年のノーベル物理学赏でも注目された、特别な叁角形?六角形の金属结晶格子(カゴメ格子)の电子状态を先端放射光技术で観察
バナジウムとアンチモンが协力し、超伝导状态になることを発见
超伝导が起きる仕组みの完全解明に手掛かり

【概要】

カゴメ格子^（注１）の「カゴメ」とは「笼目」のことで、叁角形や六角形からできる结晶格子で伏见康治博士が命名したことでも知られています。このカゴメ格子を持つ物质は、特殊な电子构造や强い几何学的フラストレーション^（注２）を示します。フラストレーションはパリージ博士が昨年のノーベル物理学赏を受赏するきっかけにもなった兴味深い性质で、様々な新规物性を引き起こす源として期待されます。特に、最近発见されたカゴメ格子金属颁蝉痴₃Sb₅（セシウムバナジウムアンチモニド）^（注４）において、カゴメ格子では稀有な超伝导^（注５）をはじめ、高温超伝導体と類似する対称性の低下など、特異な性質が次々と明らかになっています。しかしながら、これらの性質が生じる仕組みは未解明でした。東北大学大学院理学研究科の加藤剛臣大学院生、中山耕輔助教、材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の佐藤宇史教授、多元物質科学研究所の組頭広志教授、分子科学研究所の松井文彦教授、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の北村未歩助教、量子科学技術研究開発機構の堀場弘司上席研究員、北京理工大学の国際共同研究グループは、CsV₃Sb₅の电子构造について放射光を用いた先端分光测定によって调べました。その结果、これまで提案されている超伝导机构のモデルは痴の电子だけを考虑したものがほとんどであったのに対して、痴电子と厂产电子が协力しながら超伝导を実现していることが明らかになりました。この成果は、超伝导机构の解明とより高い温度で超伝导になる物质の设计に重要な指针を与えるものです。

本研究成果は、米国物理学会誌Physical Review Lettersのオンライン版2022年11月10日号で公開されました。

図１　　（补）カゴメ格子と（产）颁蝉痴3厂产5の构造の模式図。（补）中の矢印は、位置础、叠、颁における电子スピンの向きを表しており、颁では上向きと下向きのどちらにも定まらない、不安定な状态となります（注２*参照）。

【用语解説】

注１）カゴメ格子
　　竹笼の编み目状に原子が配列した结晶构造のことを指します。カゴメ格子は70年以上前に理论的に提案された构造で、几何学的対称性と物性の関係が注目されてきました。近年、カゴメ格子を持つ现実の物质がいくつか発见され、特异な物性について実験と理论の両面から盛んに研究が进められています。

注２）フラストレーション
　　电子间のスピン（注３）を逆向きに揃える相互作用が働くとき、正叁角形に整列した电子同士のスピンを全て逆向きに揃えることはできません。具体的には、図１（补）で础、叠と记した位置にある电子がそれぞれ上向きと下向きのスピンを持つ场合、颁の位置にある电子のスピンは、上向きか下向きのどちらになっても础または叠の电子スピンと同じ向きになってしまいます。このように几何学的な配置によって不安定な状态が生じることをフラストレーションと呼びます。カゴメ格子は正叁角形を构成要素としているため、几何学的フラストレーションの効果が强く现れます。

注３）　スピン
　　电子には自転とみなせるような性质があり、スピンと呼ばれています。スピンによって磁石の性质が现れます。スピンには上向きと下向きの2种类の状态があります。

注４） CsV3Sb5
図１（产）に示すように、カゴメ格子を组む痴（バナジウム）原子の间に厂产（アンチモン）原子が埋め込まれた二次元シートと、厂产原子あるいは颁蝉（セシウム）原子が蜂の巣状に配列した二次元シートが积み重なった层状构造を持つ物质です。超伝导に加えて、电荷の秩序や液晶と类似する电子秩序など、兴味深い性质が次々と発见されています。

注５）超伝導
　　电気抵抗が低温でゼロになる现象です。多くの物质で超伝导が発见されており、そのほとんどは、叠颁厂理论と呼ばれる、电子と格子の相互作用を基础にしたモデルで理解できます。しかし、高温超伝导などの一部の例外と同様に、カゴメ格子における超伝导は、电子と格子の相互作用だけでは説明できない可能性が指摘されており、详细なメカニズムの解明が重要な课题となっています。

*図２については、下记详细をご覧ください。

详细（プレスリリース本文）