東大など、鉄系高温超伝導の発現機構を解く鍵となる電子状態を解明

鉄系高温超伝導の発現機構を解く鍵となる電子状態を解明


１．発表者：
　水上　雄太（東京大学大学院　新領域創成科学研究科　物質系専攻　助教）
　芝内　孝禎（東京大学大学院　新領域創成科学研究科　物質系専攻　教授）
　橋本　顕一郎（東北大学金属材料研究所　助教）

２．発表のポイント：
　◆２００８年に発見された鉄系高温超伝導体において、いくつかの超伝導発現機構が提案されているが、その鍵となる超伝導電子の電子状態が未解明であった。
　◆電子線を照射したときに超伝導電子の数が特殊な変化を示すことを観測し、その変化からもとの電子状態を明らかにした。
　◆この電子状態は、磁気揺らぎ（※１）を超伝導の主機構とする理論で提案されたものと一致する。

３．発表概要：
　東京大学大学院新領域創成科学研究科の水上雄太助教、芝内孝禎教授（京都大学大学院理学研究科客員教授兼任）、東北大学金属材料研究所の橋本顕一郎助教らは、鉄系高温超伝導体についてこれまで明らかになっていなかった超伝導電子の電子状態を解明しました。これは、純良単結晶に電子線を照射して、その照射量を増やすに伴い超伝導電子の数が非単調に変化することを初めて観測したことにより、明らかになったものです。
　２００８年に発見された鉄系超伝導体は、その発見以降、短期間で膨大な量の研究がなされたにもかかわらず、その超伝導発現機構と密接に関係する超伝導電子の電子状態が未解明でした。本研究によってそれは「s±（エス　プラスマイナス）」型の対称性であることが明らかとなり、これは磁気揺らぎ（※１）を主な機構とする超伝導において提案されたものです。今後より高い温度での超伝導の実現を目指し、この機構を用いた超伝導体の設計指針につながることが期待されます。
　本研究成果は２０１４年１１月２８日付けで、英国科学誌Nature　Communicationsにオンライン掲載される予定です。
　本研究は、京都大学大学院理学研究科の松田祐司教授、仏エコールポリテクニーク、米フロリダ大学の研究者らと共同で行いました。また、本研究は文部科学省新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」（No．２５１０３７１３）、科学研究費基盤研究（No．２４２４４０５７，２５２２０７１０）の助成を受けて行われました。

４．発表内容：
・研究の背景と経緯
　ある物質を低温まで冷却すると、電気抵抗が突如としてゼロになると同時に外部から加えられた磁場を完全に排除するという完全反磁性の特性を示すことがあります。この状態は「超伝導状態」として知られています。超伝導状態は１９１１年にオランダで初めて発見されましたが、１９５７年に超伝導状態を記述する理論であるBCS理論（※２）が発表され、それまでのほとんど全ての超伝導現象を説明することができました。しかしながら近年、電子同士の相互作用が強い強相関電子系（※３）として知られる物質において、高温超伝導を含む新しい超伝導状態が次々と発見されており、これらはBCS理論では全く説明ができないことが明らかとなってきました。これら新奇な超伝導状態は、物理学としての重要さのみならず多くの技術革新を秘めた現象であるため、その発現機構解明は現代の固体物理学の最重要課題の一つとなっています。
　２００８年に発見された鉄系高温超伝導体は、その発見よりわずか１年足らずで５０ケルビン（摂氏マイナス２２３度）よりも高い温度で超伝導現象を示すこと（超伝導転移温度）が報告され、これまでに発見された最高の超伝導転移温度を持つ銅酸化物高温超伝導体に次ぐ高温超伝導物質であることが明らかとなりました。この鉄系高温超伝導について、現在までに、従来のBCS理論とは異なる、さまざまな種類の揺らぎを媒介とする発現機構などが理論的に提案されています。これらの理論では、超伝導電子の電子状態の対称性（※４）が揺らぎの種類により決定されます。しかしながら、実験的には、電子状態の対称性の決定には至っておらず、主となる超伝導発現機構が未解明の状態が続いていました。

・研究成果の内容と意義
　この重要な課題を解決するために、水上助教、芝内教授らの研究グループは純良な単結晶に電子線を照射してその不純物効果（※５）を研究しました。超伝導状態における不純物効果の研究は、超伝導の電子状態を調べる上で非常に強力な手法の一つです。鉄系高温超伝導体においては、主に元素を置換するなどの化学的手法を用いて結晶内に不純物を導入して、その結晶の超伝導転移温度の変化を調べる研究が行われてきました。これに対し本研究グループは、電子線を試料に照射するという新しい方法を用いて、試料内部にまんべんなく欠陥（不純物）を作り出しました（図１）。この方法では、照射量を調整することにより系統的に不純物量を制御することができます。研究グループは超伝導電子の数を反映する量である磁場侵入長（※６）が、照射量に対して特殊な変化をすることを明らかにしました（図２）。図２では不純物量が増えるのに従い低温での磁場侵入長の温度に対する変化量が一度少なくなったあと、増大するという非単調な振る舞いを示しています。これは、超伝導電子の数がいったん増加し、次に減少に転じることを表しています。これまでに鉄系超伝導体においてはさまざまな超伝導電子の電子状態の対称性が理論的に提案されてきましたが、このような非単調な超伝導電子の数の変化は、磁気揺らぎを媒介した機構で提案された「s±（エスプラスマイナス）」型の対称性を持つ場合にのみ説明できます（図３）。
　この結果は、電子線照射による系統的な不純物導入に伴い、超伝導電子の数がどのように変化するかを直接観測することで超伝導の電子状態の対称性の種類を決定できることを示したものです。本研究により決定された超伝導の電子状態は、従来のBCS理論とは異なる磁気揺らぎを主な機構とする超伝導において提案されたもので、今後より高い温度の超伝導の実現を目指し、この機構を用いた超伝導体の設計指針につながることが期待されます。

５．発表雑誌：
　雑誌名：２０１４年１１月２８日付　英国科学誌「Nature　Communications」
　論文タイトル：「Disorder−induced　topological　change　of　the　superconducting　gap　structure　in　iron　pnictides」
　著者：Y．Mizukami，M．Konczykowski，Y．Kawamoto，S．Kurata，S．Kasahara，K．Hashimoto，V．Mishra，A．Kreisel，Y．Wang，P．J．Hirschfeld，Y．Matsuda，T．Shibauchi（＊）
　DOI番号：１０．１０３８／ncomms６６５７


　※用語解説などは添付の関連資料を参照