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発表・掲載日:2010/11/17

超伝導のメカニズム解明に大きな手がかり

-ルテニウム酸化物の電子の運動状態を選択的に可視化することに成功! 電子対を形成する「のり」の起源を初めて解明-

ポイント

  • 直線偏光放射光を活用した高分解能角度分解光電子分光により、電子の運動状態を選択的に可視化
  • ルテニウム酸化物の超伝導電子対を形成するための「のり」の強さと成分を初めて解明
  • 超伝導電子対の「のり」の起源として、結晶の原子の振動が関与していることを強く示唆

概要

 国立大学法人 広島大学【学長 浅原利正】放射光科学研究センター【センター長 谷口雅樹】(以下「HiSOR」という)の岩澤英明特任助教、島田賢也教授、独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口有】(以下「産総研」という)エレクトロニクス研究部門【研究部門長 金丸正剛】機能性酸化物グループの相浦義弘主任研究員を中心とする共同研究グループは、放射光の直線偏光特性を活用するため、放射光の光軸のまわりに回転可能な高分解能角度分解光電子分光装置を開発し、ルテニウム酸化物超伝導体の超伝導機構解明に重要な手がかりをつかみました。

 超伝導は低温で物質の電気抵抗が完全にゼロになる物理現象であり、実用的にもリニアモーターカーや医療用核磁気共鳴画像装置(MRI)などで利用されています。1994年に日本で発見されたルテニウム酸化物超伝導体はユニークな超伝導状態を示し、世界の注目を集めてきました。これまで数多くの研究が行われてきましたが、いまだにその超伝導のメカニズムは謎に包まれたままです。超伝導が生じるためには、電子と電子を「のり」で結びつけ、「電子対」にする必要があります。本来、反発しあう電子と電子を結びつける「のり」の正体が何かを明らかにすることは、超伝導がどのようにして生じるのかを理解するうえで大変重要です。ところがルテニウム酸化物超伝導体には超伝導を担っている電子に複数の運動状態があるため、従来の実験手法では電子対の形成に必要な「のり」の正体を調べることが極めて困難でした。

 研究グループが開発した新装置を用いると、ルテニウム酸化物超伝導体の異なる運動状態にある電子を選択的に分離しながら、精密に分析することが初めて可能となりました。その結果、この物質の電子対を形成するための「のり」として、結晶を作っている原子の振動が重要な役割を果たしていること、さらに、その「のり」がどのくらい強く働いているのかを初めて明らかにしました。

 本研究成果は、米国物理学会誌(Physical Review Letters)にて、11月19日(米国東部時間)出版予定であり、オンライン電子版に11月16日(米国東部時間)に公開される予定です。

直線偏光放射光を活用した高分解能角度分解光電子分光装置の概要図

研究の背景

 超伝導とは、極低温で電気抵抗が完全にゼロになる、固体が示す最も興味深い物理現象の一つです。超伝導は二つの電子が「電子対」(クーパー対*1)を組んで運動することで実現しますが、本来、電気的に反発し合う電子と電子が対を作るためには、電子間に「のり」として働く何らかの引力が必要です。電子対は、電子のスピン*2(自転)の向き(図1(a))により、二通りの組み方(対称性)が存在します(図1(b), (c))。この電子対の対称性は、「のり」の種類及びその性質によって変化すると考えられており、超伝導のメカニズムを解明するためには、「のり」の起源を明らかにすることが必要不可欠です。

 アルミニウムなどの金属元素の超伝導についてはBCS理論*3で説明されました。BCS理論によると結晶中の原子の振動が「のり」として働き、電子のスピンの向きが反平行(スピン一重項)になるように電子対が形成されます(図1(b))。1986年に発見された銅酸化物系超伝導体*4もまたスピン一重項の対称性を持つ超伝導体であることが知られています。しかし、銅酸化物系超伝導体の「のり」が、BCS超伝導体と同様に原子の振動による「のり」であるのか、もしくは電子のスピンに由来する磁気的な新しい「のり」であるのかは、現在も盛んな議論が続いているところです。一方、ルテニウム酸化物超伝導体(Sr2RuO4)は、電子のスピンの向きが平行な電子対(スピン三重項*5)を形成する非常にユニークな超伝導体として注目を集めてきました(図1(c))。銅酸化物系超伝導体を含む新しいタイプの超伝導がどのようなメカニズムで生じるのかを理解するために、ルテニウム酸化物超伝導体における電子と電子を結びつける「のり」の成分と強さを明らかにすることが望まれてきました。

電子のスピン、電子対の対称性の概念図
図1:(a) 電子のスピン、(b), (c) 電子対の対称性の概念図

研究の内容

 銅酸化物系高温超伝導体と同様に、ルテニウム酸化物超伝導体は層状ペロブスカイト構造(図2)を取り、ルテニウムと酸素からなる二次元平面(RuO2面)が超伝導の舞台となります。銅酸化物系超伝導体では、超伝導に関与する電子の運動状態が一種類だけであるため、角度分解光電子分光*6という手法を用いることで、超伝導を担う電子の運動の様子を精密に調べることが出来ました。しかし、ルテニウム酸化物超伝導体では超伝導を担っている電子は三つの異なる運動状態にあるため、電子対を形成する「のり」の成分や強さを精密に調べることは極めて困難でした。

ルテニウム酸化物超伝導体の結晶構造図
図2:ルテニウム酸化物超伝導体(Sr2RuO4)の結晶構造

 このような問題を打開するためにHiSORと産総研の共同研究グループは、放射光の直線偏光特性*7を利用出来る高分解能の角度分解光電子分光システムを新しく開発しました。本システムでは、放射光の光軸のまわりに高分解能光電子分光装置を90°回転することで、放射光の偏光方向とルテニウム酸化物超伝導体の結晶方位の関係を変えることができます(図3)。光電子強度はこの配置に強く依存するため、特定の運動状態にある電子のみを選択的に検出することが可能となります。

 今回、本研究グループは、新装置を用いて、水平・垂直偏光配置を切り替えることで、ルテニウム酸化物超伝導体の異なる運動状態にある電子を選択的に可視化することに成功しました。図4(a), (b)は観測している領域は同じですが、異なったイメージが得られており、選択的に電子の運動状態を観測できていることが分かります。色の最も明るい部分をグラフに描いたのが図4(c)です。赤と青のグラフはそれぞれ垂直・水平偏光配置のイメージから得られた結果であり、それぞれ異なる電子(赤:dzx、青:dxy)の運動状態を表します。図4(c)のグラフの傾きは電子が運動する速さを表します。グラフの傾きが急なほど電子の速さが早く、傾きが緩やかなほど遅くなります。点線は電子と電子の間に「のり」が全く働かない場合の理論曲線です。赤いグラフで表される電子は理論曲線にほとんど一致し、「のり」がとても弱いことが分かります。一方、青いグラフで表される電子は理論曲線からのズレが大きく、傾きがかなり緩やかになっていることがわかります。すなわち「のり」が強く働く結果、電子の速さが遅くなっています。詳しい解析の結果、グラフの折れ曲がりは、結晶中の原子が振動する特徴的なエネルギーと一致することが分かりました(図4(c)の網かけ部分)。すなわち電子は原子の振動に同調しながら運動することで、超伝導電子対をつくることができるのです。本研究により、結晶中の原子の振動が「のり」として関与していることが初めて明らかとなりました。

回転型の高分解能光電子分光システムの概念図
図3:回転型の高分解能光電子分光システムの概念図

水平・垂直偏光配置で測定した電子の運動状態とグラフ
図4:(a), (b) 水平・垂直偏光配置で測定した電子の運動状態。同じ場所を観測しているが得られるイメージは異なる。(c)は(a), (b)のイメージで色のもっとも明るい部分を描いたグラフ。赤と青のグラフは異なる電子の運動状態(dzxdxy)に対応する。点線は電子と電子の間に「のり」が全く働かない場合の理論曲線。黄色の網かけは原子の振動の特徴的なエネルギーに対応。

今後の展望

 本研究手法は、複雑に絡み合う電子の運動状態を個別に精密に分析できる新しい手法であり、超伝導の起源となる電子対の「のり」の成分や強さを直接見ることができます。これにより超伝導になる温度をあげる方法や、新規超伝導体の探索の重要なヒントが得られると期待できます。

 今回の結果により、新機能を有する電子材料開発、物性発現機構の解明、物性制御手法の探索において、電子と結晶中の原子の振動との相互作用が重要な役割を演じることが分かりました。今後、本研究手法が明らかにする電子の運動状態に関する情報は、超伝導体をはじめ熱電材料などの機能性の高い新規エレクトロニクス材料の開発研究において重要な指針を与えるものと期待されます。

研究体制

 本研究は、HiSORの共同研究委員会により採択された研究課題のもと実験が行われました。本研究は、日本学術振興会の科学研究費補助金:若手研究(B)「偏光依存角度分解光電子分光によるマルチバンド強相関物質の微細電子構造の解明」(平成22~24年度、研究代表者:岩澤英明)、及び、基盤研究(B)「高温超伝導体の電子状態における酸素同位体効果に関する角度分解光電子分光研究」(平成19~22年度、研究代表者:相浦義弘)の支援を受けて得られました。


用語解説

注1)クーパー対
BCS理論*4によると、超伝導状態では電子が対となって、エネルギーの低い束縛状態になります。最初にこの電子対の存在を提唱したのがクーパーであり、現在ではこの電子対のことをクーパー対と呼びます。[参照元へ戻る]
注2)スピン
電子の自転に由来した磁石の性質のことです。自転の方向に対応して、電子には上向きスピンと下向きスピンの2種類の状態があります。[参照元へ戻る]
注3)BCS理論
BCS理論は、バーディーン、クーパー、シュリーファーの三人によって1957年に発表された超伝導の理論です。超伝導は1911年にカマリング・オネスにより発見されましたが、約半世紀もの間、そのメカニズムは謎のままでした。BCS理論により超伝導は電子と電子が「のり」によって対になることにより生じることが初めて明らかにされました。この功績によりバーディーン、クーパー、シュリーファーの三人は1972年にノーベル物理学賞を受賞しました。[参照元へ戻る]
注4)銅酸化物系超伝導体
BCS理論では約-243℃が超伝導転移温度(Tc)の限界とされ「BCSの壁」と呼ばれていましたが、1986年にベドノルツとミュラーにより、Tcが-243℃を遥かに超える物質が発見され、超伝導フィーバとも呼べる現象を世界中に引き起こしました。この発見により、ベドノルツとミュラーは1987年にノーベル物理学賞を受賞しました。現在発見されている超伝導体の中で最も高いTc(約-143℃)を示す物質も、この銅酸化物系超伝導体の仲間です。[参照元へ戻る]
注5)スピン三重項超伝導体
電子のスピン*3の向きによって、電子対の組み方は二種類存在します。電子のスピンの向きが同じ方向のものをスピン三重項状態、反対向きのものをスピン一重項状態と呼びます。
超伝導状態において、電子対の対称性がスピン三重項状態にある超伝導体をスピン三重項超伝導体と呼びます。[参照元へ戻る]
注6)角度分解光電子分光
結晶の表面に紫外線を照射して、光電効果により結晶外に放出される電子のエネルギーと運動量を同時に測定する実験手法です。この方法により、固体中の電子のエネルギーと運動量の関係(これをバンド分散といいます)を決定でき、決定された微視的なバンド分散から物質の示す様々な巨視的な性質を説明することができます。[参照元へ戻る]
注7)直線偏光
光は電場と磁場の振動によって引き起こされる電磁波の一種と言えます。その中でも、電磁波の振動方向が一方向に定まったものを直線偏光と呼びます。また、直線偏光の電場の振動方向が、入射面に対して同一面内にあるものを水平偏光、垂直面内にあるものを垂直偏光と呼びます。[参照元へ戻る]


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