理研と東大、超伝導と電荷秩序が磁場中で２種類の電子模様となって現れることを発見

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−


＜要旨＞
　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［１］における電子が持つ超伝導と電荷秩序［２］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＋δ」（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）［３］」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）［４］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［５］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。


※共同研究チーム
　理化学研究所　創発物性科学研究センター
　　創発物性計測研究チーム
　　特別研究員　町田　理（まちだ　ただし）
　　上級研究員　幸坂　祐生（こうさか　ゆうき）
　　研修生（東京大学大学院生）松岡　賢祐（まつおか　けんすけ）
　　上級研究員　岩谷　克也（いわや　かつや）
　　チームリーダー　花栗　哲郎（はなぐり　てつお）
　東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻
　　准教授　為ヶ井　強（ためがい　つよし）


１．背景
　金属の電気抵抗が完全に消失する超伝導現象は、固体内の電子が示す最も劇的な物理現象の１つであり、エネルギー損失のない送電などへの応用が考えられます。しかし、絶対零度（−２７３．１５℃）に近い極低温でしか発現しないことが大きな問題となっていました。１９８６年にスイスのJ．G．ベドノルツとK．A．ミューラーが発見した銅酸化物超伝導体の中には、安価な液体窒素の沸点である７７ケルビン（K、７７K＝約−１９６℃）以上まで超伝導状態を保持できるものがあり、超伝導の応用範囲が大きく広がると期待されています。銅酸化物超伝導体の応用を加速し、さらに高い温度で超伝導を示す物質を見つけるには、超伝導が発現するメカニズムを理解することが重要です。しかし、その発見から３０年を経た今日でも、銅酸化物超伝導体におけるそのメカニズムは明らかになっていません。
　一般に超伝導が発現するには、固体内の電子間に引力が働き、２つの電子が「対」を作る必要があります。電子間に働く相互作用が弱い通常の金属では、物質の結晶格子［６］の歪みを媒介とした引力が超伝導発現の引き金になることが分かっています。しかし、銅酸化物超伝導体では、もともと電子間に働く電気的、磁気的相互作用が非常に強く、電子状態が極めて複雑です。そのため、電子間引力の起源の特定は容易ではありません。複雑な電子状態が持つ特徴が明らかになれば、超伝導発現メカニズムの解明につながると考えられます。
　電子間の強い相互作用は、超伝導以外にも、さまざまな電子の秩序状態を引き起こす可能性があります。最近、銅酸化物超伝導体には、結晶格子とは異なる周期で電子が規則的に配列する電荷秩序状態が存在することが明らかにされ、注目を集めています。しかし、この電荷秩序と超伝導がどのような関係にあるのか、これまで分かっていませんでした。


２．研究手法と成果
　共同研究チームは超伝導を抑制し、その際に電荷秩序がどのような影響を受けるのかを調べることで、両者が互いに無関係なのか、それとも競合関係にあるのか調べました。超伝導を抑制するには温度を上げたり、わざと欠陥を含む試料を合成したりするなど、さまざまな方法がありますが共同研究チームは磁場を加える方法を選びました。超伝導体には一般に磁場をはじく性質がありますが、多くの超伝導体では強い磁場を加えると内部に磁場が侵入します。この際、磁場は「渦糸（うずいと）」と呼ばれる細長い形状となって侵入し、磁場の増加とともに、渦糸の本数が増えていきます。渦糸の近傍では超伝導が抑制されるので、この領域に着目して電子状態を調べることができれば、超伝導と電荷秩序の関係の解明に役立ちます。この方法は、温度を上げる必要がないため、温度上昇に伴うさまざまな乱れの効果を避けられる利点があります。また、磁場を加えたりゼロにしたりすることで、渦糸の有無を制御し、同じ場所における超伝導の強さを変化させることができる点でも優れています。
　渦糸に着目して実験を行うには、高い空間分解能を持つ実験手法を使わなければなりません。また、銅酸化物超伝導体において、超伝導と電荷秩序を特徴づけるエネルギーが異なるので、さまざまなエネルギーを持つ電子を区別して捉えることも必要です。これらの要件を満たす手法が、「走査型トンネル顕微鏡法／分光法（STM／STS）」です。本研究では、理研で開発した極めて高い安定度を持つ走査型トンネル顕微鏡を４．６K（約−２６８．６℃）まで冷却し、最大１１テスラ（T、１　Tは地球が持つ磁気の約２万倍）までの強磁場を加えて実験を行いました。試料には、東京大学が作製した「Bi２Sr２CaCu２O８＋δ」（Bi：ビスマス、Sr：ストロンチウム、Ca：カルシウム、Cu：銅、O：酸素）の単結晶を用いました。
　超伝導状態では、電子対の結合の強さに相当する超伝導ギャップ［７］以下の低エネルギー領域には電子がほとんど存在しません。しかし、渦糸の近くで超伝導が抑制されると、低エネルギー領域にも電子が現れます。このため、低エネルギー領域における電子の分布を観察することで、渦糸を可視化できます。STM／STSを使った観察の結果、渦糸近傍の低エネルギー領域の電子分布には、結晶格子の周期とは異なる格子状の模様が観察されました（図１）。この模様の存在自体は既に知られており、電荷秩序との関連が盛んに議論されてきました。しかし今回、詳しいエネルギー依存性の測定と解析を行ったところ、この模様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同じような特徴を持つことが分かりました。すなわち、低エネルギー領域の電子の模様は超伝導そのものの特徴を反映しており、電荷秩序とは直接関係がないことになります。


　＊図１は添付の関連資料を参照


　磁場がない場合、銅酸化物超伝導体における電荷秩序を特徴づけるエネルギーは、超伝導ギャップ以上の高いエネルギーにあります。したがって、電荷秩序と超伝導の関係を直接捉えるためには、このエネルギー領域での電子分布が渦糸の導入でどのように変化するかを調べる必要があります。そこで、電荷秩序が最も著しく現れるエネルギー領域での電子の分布を、磁場を加える前と磁場中の２つの条件で観察し比較しました。その結果、渦糸の近くで、電荷秩序に伴う模様のコントラストが増大することが分かりました（図２）。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。


　＊図２は添付の関連資料を参照


３．今後の期待
　本研究により銅酸化物超伝導体の持つ超伝導と電荷秩序の二面性の特徴が渦糸に現れることが明らかになりました（図３）。両者が競合関係にあることが示されたことは、銅酸化物超伝導体の電子状態を表すモデルを構築する上で重要です。
　一方、超伝導の発現メカニズムを解明するには更なる努力が必要です。銅酸化物超伝導体のさまざまな性質は、超伝導を担う電子の密度に強く依存することが分かっています。今後、さまざまな電子密度を持つ試料を用いて、渦糸近傍の電子状態を観察することで、銅酸化物超伝導体の電子状態の全体像を実験的に明らかにすれば、超伝導の発現メカニズムが解明できる可能性があります。


　＊図３は添付の関連資料を参照


４．論文情報

＜タイトル＞
　Bipartite　electronic　superstructures　in　the　vortex　core　of　Bi２Sr２CaCu２O８＋δ

＜著者名＞
　T．Machida，Y．Kohsaka，K．Matsuoka，K．Iwaya，T．Hanaguri　and　T．Tamegai

＜雑誌＞
　Nature　Communications

＜DOI＞
　１０．１０３８／ncomms１１７４７


５．補足説明

　＊添付の関連資料を参照