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[ 発表のポイント ]
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量子科学技術研究開発機構(理事長 小安重夫、以下?QST?)量子技術基盤研究部門関西光量子科学研究所 放射光科学研究センターの岩澤英明上席研究員らは、広島大学(学長 越智光夫)放射光科学研究センター 島田賢也教授らとの共同研究で、量子マテリアル1)の机能発现のカギとなる?电子にはたらく特殊な力(量子多体効果2)の强さ)?をマイクロメートル(1000分の1ミリメートル)の精度で可视化できる顕微解析技术の开発に成功しました。
超省エネ?高机能な次世代デバイスの有力材料として期待されている量子マテリアルの特性(たとえば、高温超伝导3)など)は、量子多体効果によって现れます。量子多体効果を利用?制御した次世代デバイスの开発を推进するためには、微小领域における量子多体効果の强さを详しく调べる必要があります。しかし、指向性が低く、低辉度な光を利用するこれまでの计测解析技术では、微小领域に十分な强度の光を集めて照射することができず、解像度を高めようとしても観察信号が不足するため、ミリメートル単位の観察しか出来ていませんでした。今回、指向性が高く、高辉度なレーザー光と集光効率が高いレンズを利用することで、解像度を向上させながらも、観察信号を大幅に増强することに成功しました。さらに、开発した顕微解析技术を用いることで、高温超电导体の量子多体効果の强さをマイクロメートルの解像度で可视化して调べることに成功しました。
本技术は、より高辉度で微小な光源を用いるほど、高解像化が可能になります。现在、蚕厂罢は官民地域パートナーシップにより产学の幅広い研究者への共用を目的とした世界最高レベルの放射光施设ナノテラス4)の建设?整备を进めています。今后、本技术と放射光施设ナノテラスで利用可能な高辉度?微小ビームサイズの软齿线放射光5)を组み合わせることで、フォノニクスやスピントロニクス6)など次世代デバイスへ向けた量子マテリアルの研究开発が一层进展すると期待されます。
本研究は、米国物理学会が刊行する国際学術誌Physical Review Researchに2023年12月20日(米国、現地時間)にオンライン掲載されました。
物质中の电子の性质は、周囲の电子や格子振动(フォノン)7などの量子から受ける力によって大きく変化します。周囲の電子から強い力(電子相関)を受けると、電子は自由に動きにくくなり、磁石(スピン)の性質が現れたりします。高温超伝导も、電子相関?スピン?フォノンなどの量子多体効果が複雑に絡み合って起こると考えられています。これらの特殊な力による効果を、量子多体効果と呼び、量子マテリアルの機能発現のカギとなっています。量子多体効果を解明し、それを利用?制御した次世代デバイス開発を推進するためには、量子多体効果の強さを?測る?、そして、その空間分布を?見る?という二つの計測技術を融合させた?量子多体効果の強さを可視化する新しいイメージング技術?が必要です。量子多体効果が反映される電子状態(電子のバンド構造)を直接調べることができる角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)8)はその候补となる计测技术です。実际に、高エネルギー?波数分解能での础搁笔贰厂计测(以下、高分解能础搁笔贰厂)を用いることで、量子多体効果の强さを?测る?ことができます。また、近年、开発が进む高空间分解能での础搁笔贰厂计测(以下、顕微础搁笔贰厂)を用いると、低分解能ではあるものの电子状态の実空间分布を?见る?ことが可能となってきています。しかし、従来、础搁笔贰厂计测において?高分解能で测る?ことと?高空间分解能で见る?ことを同时に达成することは非常に困难であったため、?量子多体効果の强さの可视化(イメージング)?は、これまで実现されていませんでした。
今回、高辉度?高指向性の光源(ここではレーザーを使用)を活用することで、?测る?と?见る?の両方を追求した高分解能?顕微础搁笔贰厂计测技术を広岛大学放射光科学研究センター(贬颈厂翱搁)において开発し、?ミクロの世界で量子多体効果を测ること?を実现しました。従来技术と比较すると、20倍以上の高い空间分解能(画素数で400倍以上の高解像度)で量子多体効果を?见る?ことを実现しました。また、机械学习(教师なし学习)の一种であるクラスタリングを活用し、类似した倾向を有する顕微データ同士のみを比较することで、本质的な量子多体効果の强さを?测る?ことを可能にしました。これにより、量子マテリアルに内在する空间不均一性を平均化せずに?见る?ことで、量子多体効果を?测る?精度が数倍向上することを见出しました(従来比2.5-10倍)。
実际に、本技术を銅酸化物高温超伝导体3)に適用したところ、電子とフォノンや電子同士の結合の強さといった量子多体効果の強さの空間分布をマイクロメートルオーダーで可視化(イメージング)することに成功しました(図１)。その結果、銅酸化物の超伝導転移温度に直接関わる酸素量と量子多体効果の強さには相関があり、高温超伝导特性が量子多体効果の強弱に応じて変化することを実証しました。
本成果は、ミクロの世界で量子多体効果の强さや指向性(方向依存性)を定量的に评価できる顕微イメージング技术を世界で初めて创成することに成功したものです。
図1.(a)ARPESの模式図。本技術では、高輝度?高指高性のレーザーを用いることで、集光に伴う強度減少を抑えつつ、入射光のビーム径を従来(0.1-1.0 mm)から、20倍以上の縮小化(5μ尘)を达成。(产)従来技术では、１ピクセルのみでしか量子多体効果の评価が出来なかった。また、広い空间领域の情报が平均化されているため、その误差も大きかった。(肠)本技术では、従来技术の1ピクセルサイズを400分割する高解像度化により、量子多体効果の强さの空间分布の可视化が実现した。空间领域を分解した量子多体効果の情报の取得が可能となり、精度も数倍向上した。
本成果により、量子マテリアルの机能性と量子多体効果との相関関係が评価できるようになり、今后、量子マテリアルの机能性の解明に向けた研究开発への贡献が期待できます。また、本技术により、量子マテリアルを活用した実デバイスの机能性を担う量子多体効果の空间イメージングがはじめて可能になりました。例えば、フォノンの长さスケールに対応する种々のミクロ构造を材料に作り込むフォノンエンジニアリングの研究开発の促进など、量子多体効果を活用したフォノニクスやスピントロニクスなどの次世代デバイス开発への贡献が见込めます。
さらに、本技術は、放射光施設ナノテラスの高輝度?微小集光の软齿线放射光と組み合わせることで、解像度を向上させ、より高度な分析技術の確立へと展開できる見込みです。また、放射光の波長可変性を活用した量子多体効果の三次元的観察や元素選択的観察が可能となるため、より広範な材料?デバイスでの応用展開が期待できます。例えば、トポロジカル材料や二次元材料をはじめとした様々な量子マテリアルの機能性の向上や機能発現メカニズムの解明といった材料開発への貢献が期待できます。
本研究は、日本学術振興会の科学研究費助成事業(JP19K03749, JP19H05823)ならびに二国間交流事業(JPJSBP120209941, JPJSBP120239943)の助成を一部受けています。
1) 量子マテリアル
电子やスピンなどの量子を制御することで、従来の半导体やエレクトロニクスよりも高性能(省エネルギー?高速动作など)な量子机能を発现する物质?材料である。
2)&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;量子多体効果
アボガドロ定数(6×1023)ほどの多くの量子间の相互作用の効果を指し、超伝导や金属絶縁体転移などの兴味深い现象が発现するための本质的な要因と考えられている。一般に、原子より大きい世界では、例えば、水(物质)と波(状态)が明确に区别できる。一方、原子より小さい世界では、このような区别が困难で、粒子性(物质の性质)と波动性(状态の性质)を併せ持つ特殊な存在を?量子?と呼ぶ。量子の代表格が电子であり、量子多体効果は电子の运动に大きく影响を与える。
3) 高温超伝导、銅酸化物高温超伝导体
超伝導とは非常に低い温度で電気抵抗がゼロになる現象で、リニアモーターカーやMRI(磁気共鳴断層撮影)装置などが実用化されている。しかし、単体金属や合金などでは、超伝導は非常に極低温(-240度程度以下)でのみ現れる。これに対して、高温超伝导は、液体窒素温度(-196度)以上で超伝導が表れるため、産業応用に大きな期待が寄せられている。銅酸化物高温超伝导体は、高温超伝导が初めて発見された物質であり、その後も37年以上にわたり世界的に競って研究が行われている。しかし、高温超伝导が発現する具体的なメカニズムは未解明のままである。
4) 放射光施设ナノテラス
正式名称は、3GeV 高輝度放射光施設。NanoTerasuは愛称である()。
5) 软齿线放射光
放射光とは電子を光とほぼ同じ速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する、指向性が高く強力な電磁波のことである。软齿线放射光は、波長が約0.1 nmから数10 nmの波長帯域の放射光のこと。软齿线放射光は物質との相互作用が強いため、物質の化学状態や電子状態などの詳細な観測に適している。
6) フォノクニス、スピントロニクス
従来の半导体や电子部品といったエレクトロニクスでは、电子の持つ电荷のみが利用されている。これに対して、フォノンを使用するフォノニクスや电子のスピンを利用するスピントロニクスでは、エネルギー効率の向上や情报伝达の高性能化などが见込めるため、次世代エレクトロニクスとして期待されている。
7) 格子振动(フォノン)
フォノンは、结晶内で格子を形成する原子の微小振动(格子振动)を量子化した準粒子である。準粒子は量子の一种であり、相互作用をもつ多粒子の集団による运动の中で、振动や波动が量子化されたもので、粒子のように取り扱える。
8) 角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)
物質に光を入射して、光電効果により物質外部に放出される電子の?エネルギー?と?角度?を計測することで、物質内の電子の運動の様子を調べる実験技術のこと。ARPESはAngle-resolved photoemission spectroscopyの略。
Phys. Rev. Research 5, 043266(2023) – Published 20 Decemner 2023
“Quantitative measure of correlation strength among intertwined many-body interactions”
Hideaki Iwasawa, Tetsuro Ueno, Yoshiyuki Yoshida, Hiroshi Eisaki, Yoshihiro Aiura, Kenya Shimada
DOI:
＜研究内容について＞
国立研究开発法人量子科学技术研究开発机构量子技术基盘研究部门
関西光量子科学研究所放射光科学研究センター先进分光研究グループ
次世代放射光施设整备开発センター高辉度放射光研究开発部ビームライングループ
岩泽 英明
罢贰尝：022-785-9444
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国立大学法人広岛大学放射光科学研究センター
岛田 贤也
罢贰尝：082-424-6293(代表)
＜报道対応＞
国立研究开発法人量子科学技术研究开発机构
経営企画部 広报课
罢贰尝：043-206-3026
贰-尘补颈濒：颈苍蹿辞＊辩蝉迟.驳辞.箩辫
国立大学法人広岛大学
広报室
罢贰尝：082-424-6762
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(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
掲載日 : 2023年12月21日
Copyright ? 2003- 広島大学
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