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広岛大学放射光科学研究所
所長/教授 島田 賢也
罢别濒：082-424-6294
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＜报道に関すること＞
広島大学 広報室
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本研究成果のポイント
- 放射光と紫外线レーザーを用いた精密解析により、铜酸化物高温超伝导の舞台となる「奇妙な金属状态」の特徴を初めて可视化。
- これまでの理论では説明がつかない电子に働く力の温度依存性が明らかに。
- 高温超伝导の起源の解明や量子コンピュータなどの量子技术への応用に期待。
概要
広岛大学大学院先进理工系科学研究科博士课程后期3年の宫井雄大、広岛大学放射光科学研究所准教授の出田真一郎、同教授の岛田贤也、広岛大学技术センター技术専门职员の有田将司、室兰工业大学大学院工学研究科准教授の黒泽彻、北海道大学名誉教授の小田研、自然科学研究机构分子科学研究所/総合研究大学院大学准教授の田中清尚の研究チームは、铜酸化物高温超伝导（＊１）が生じる舞台となる「奇妙な金属状态（ストレンジメタル）」の特徴を初めて可视化しました。研究グループは、新たな解析手法を开発して、放射光や紫外线レーザーを用いた高分解能角度分解光电子分光（＊２）を行い、奇妙な金属状态の性质を反映する「自己エネルギー」（＊３）の全貌を初めて可视化しました。本研究により、超伝导転移温度に近づくと、电子に働く力が强くなることが明らかとなりました。しかしこの振る舞いは、原子の振动をもとに超伝导を考える従来の理论では説明できず、高温超伝导を発现させる未知のメカニズムがあることを示しています。奇妙な金属状态が示す様々な性质は、ミクロな粒子の集団に特有な量子现象であり、量子コンピュータなどの量子技术でも活用される性质です。本研究成果は高温超伝导の起源の解明に贡献するとともに、超伝导技术を用いた电力输送、医疗机器への応用研究、超伝导量子ビットを用いた量子コンピュータへの応用研究への展开が期待できます。
本研究成果は米国物理学会が発行する「Physical Review Research」のレターセクションにおいて2025年２月24日付(アメリカ東部時間)でオンライン掲載されました。本研究は科学研究費事業（課題番号：22K03495、22K03504（基盤研究C））による支援を受け、広岛大学放射光科学研究所共同研究委員会により採択された研究課題（課題番号：22AG005、22BG004）、および、分子科学研究所UVSOR-IIIにより採択された研究課題（課題番号：22IMS6850）のもとで実施されました。また本研究の公表にあたり広島大学のAPC助成を受けました。
论文情报
〈雑誌〉Physical Review Research(Q1)
〈題名〉Dual origin in the temperature dependence of the coupling parameter for the strange metal state in heavily overdoped cuprate superconductor
〈著者〉Yudai Miyai*, Shin-ichiro Ideta, Masashi Arita, Kiyohisa Tanaka, Migaku Oda, Tohru Kurosawa*, and Kenya Shimada* (*責任著者)
〈顿翱滨〉10.1103/笔丑测蝉搁别惫搁别蝉别补谤肠丑.7.尝012039
背景
超伝导は、物质を冷やしていくとある温度で电気抵抗（电気の流れにくさ）が突然ゼロになる现象であり、カーボンニュートラルや高度情报化社会の実现の観点から注目を集めています。例えば、电気抵抗があると电気が流れるときの発热によりエネルギーが失われます。电力会社の集计によると电気を家庭に送る际、电线の発热により约5％のエネルギーが失われています。もし电気抵抗がゼロの超伝导线を使うことができれば、発热によるエネルギーの损失をゼロにし、大幅な省エネルギーにつながります。また超伝导线を使った强い电磁石は、医疗诊断で用いられる惭搁滨（磁気共鸣断层撮影）装置やリニアモーターカーなどで広く使われています。最近では、量子コンピュータの中でも超伝导量子ビットが使われていて、原子レベルのミクロな世界で生じる量子现象を活用した量子技术は社会を大きく変える技术として注目を集め、世界的に研究开発が进められています。
超伝导を応用の観点から见た课题の一つは、超伝导になる温度がとても低いことです。现在広く用いられている超伝导材料では、超伝导にするために絶対零度に近い-２６９℃まで冷却する必要があります。より高い温度で超伝导になれば、超伝导技术の応用が飞跃的に広がります。１９８６年に铜酸化物高温超伝导体が発见され、従来知られていた超伝导物质よりもはるかに高い液体窒素温度（约-196℃）以上で超伝导になることで大いに注目を集めました。しかし、発见から４０年近くたつ现在も高温超伝导がどのような物理的メカニズムによって発现するのかは、完全には解明されていません。
铜酸化物高温超伝导体は、电子がお互いに强く力を及ぼしあう「强相関电子系」（＊４）の代表例です。铜酸化物は、电子同士が强く反発することにより电気を流さない「モット絶縁体」（＊５）となっていますが、电子を引き抜いて电子の抜けた穴（ホール）の数を増やすことにより、超伝导が発现します。これをホールドーピングと言います。図１は、铜酸化物の性质がホール浓度（単位体积あたりのホールの数）を変えたときにどのように変化するのかを示した物性相図です。ホール浓度を上げていくと、モット絶縁体から超伝导体へと変化し、超伝导になる温度（超伝导転移温度）はホール浓度とともに上がっていきます。しかし、さらにホール浓度を上げていくとあるところで超伝导転移温度が下がりはじめ、最终的には超伝导が消失して金属となります。超伝导転移温度が最も高くなるホール浓度领域を「最适ドープ领域」と呼び、ホール浓度とともに超伝导転移温度が上昇する领域を「不足ドープ领域」、ホール浓度とともに超伝导転移温度が下がる领域を「过剰ドープ领域」と呼びます。不足ドープ领域や最适ドープ领域では、モット絶縁体から超伝导体に剧的に性质が変化する「拟（ぎ）ギャップ相」が注目を集め、电気を流さない物质がどのように超伝导になるのかの理解に多くの研究がなされてきました。一方、过剰ドープ领域では电子に働く力が弱まり、通常の金属として振る舞うと考えられていました。しかし、近年、过剰ドープ领域においても、通常の金属の性质から逸脱した「奇妙な金属状态（ストレンジメタル）」の存在が报告され、大きな注目を集めています。奇妙な金属状态は、高温超伝导が现れる舞台となり、超伝导に寄与する电子（クーパー対）の密度（超流动密度）が超伝导転移温度とともに减少することや电子スピンが平行にそろう倾向（强磁性ゆらぎ）を示すなど、通常の金属では见られない奇妙な性质が多数报告されています。これらの现象は、マイナスの电気を帯びた电子が互いに避け合う効果、电子が原子の振动や磁気的な振动により散乱される効果などが复雑に络み合う「多体相互作用」（＊６）が原因となります。多体相互作用を直接反映するのが自己エネルギーという物理量ですが、これまで自己エネルギーは部分的にしか明らかにされておらず、その全貌を可视化するための新しいアプローチが求められていました。
本研究では、新たな解析手法を开発し、放射光や紫外线レーザーを用いた高分解能角度分解光电子分光法により铜酸化物高温超伝导体の奇妙な电子状态を反映する自己エネルギーの全貌を初めて可视化することに成功しました。これにより、高温超伝导の発现メカニズムの解明につながる、新たな知见をもたらすことができました。
図1
研究成果の内容
研究グループは放射光や紫外线レーザーを用いた高分解能角度分解光电子分光実験により、过剰ドープ领域にある铜酸化物高温超伝导体（ビスマス系铜酸化物叠颈2厂谤2颁耻翱6+δ）の电子构造を精密に计测することで、奇妙な金属状态を反映した自己エネルギーの全貌を初めて可视化しました（図２）。自己エネルギーは実部と虚部からなり、実部は力を受けた电子の「エネルギー変化の大きさ」を表し、虚部は电子の「エネルギー変化の频度」を表します。これまでの研究では自己エネルギーの低エネルギー构造については実験で详细に调べられてきましたが、従来の解析手法では、自己エネルギーの高エネルギー构造を含めた包括的な解析ができませんでした。研究グループは、実験データを解析する新たな手法を开発することにより、低エネルギー构造と高エネルギー构造の両方を含む自己エネルギーの全貌を初めて可视化することに成功しました。自己エネルギーの高エネルギー构造をさまざまな理论モデルと比较すると、局所的な多体相互作用に由来していることが明らかになり、それは奇妙な金属状态を反映するものであることが明らかとなりました。すなわち、高エネルギー构造は、高温超伝导が発现する舞台について重要な情报を含んでいることがわかりました。
図２の実线は自己エネルギーの高エネルギー构造と低エネルギー构造を理论计算で再现したものです。自己エネルギーの低エネルギー构造については、电子が原子の振动から力を受けて生じる构造と広く考えられているため、ここではその理论モデルを用いました。一见、実験と理论はよく対応しているように见えます。しかし自己エネルギーの温度依存性を详しく调べると、原子の振动を用いた理论では全く説明がつかない振る舞いが明らかになりました。つまり、高エネルギー构造はあまり温度に依存しませんが、低エネルギー构造は超伝导転移温度に近くなるほど着しく强くなるのです。
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そこで电子に働く力の大きさを表す「结合定数」が温度に依存してどのように変化するのかを详しく调べました（図３）。超伝导のなりやすさは、この结合定数で判断することができます。结合定数は、図２の上の図の波线で示すように自己エネルギー実部のエネルギーがゼロのところでの接线の倾きから求められます。一般的に结合定数の値が1より大きいと结合の力の大きさは强く、１より小さいと结合の力の大きさは弱い、と判断されます。原子の振动から受ける力で超伝导になる场合、结合定数が大きいほど、超伝导転移温度は高くなります。
図３よりどの温度でも結合定数の値が１よりも大きいため、電子には強い力が働いていることがわかります。自己エネルギーの全貌が明らかになることで、室温付近（300 K、２７℃）の結合定数については、高エネルギー構造による寄与が１、低エネルギー構造による寄与が0.1と見積もられ、高エネルギー構造による寄与が支配的であることが明らかとなりました。一方、温度が下がると低エネルギー構造が強くなるために結合定数の全体の値も大きくなり、２0 K（?2５7℃）では1.8を超えます。低エネルギー構造による結合定数は20Kで０.8となり、室温の0.1に比べて約８倍になります。
図３の実线は电子が原子の振动から受ける力の结合定数について理论计算を行った结果を示します。低温における结合定数の増大はこの理论计算では全く説明できないことがわかります。これまでに原子の振动から受ける力で结合定数を説明する论文が多数発表されてきましたが、本研究结果は、それだけでは不十分であり、新たなメカニズムを考える必要があることを明确に示しています。原子の振动以外には磁気的な振动により电子が力を受けるという理论があります。たとえば、原子振动による力と磁気的な振动による力とが协力し合って结合定数を强める可能性や、电子の状态が揃った领域が実空间でどのように分布し、どのように拡がっていくのかなども考虑する必要があるかもしれません。こうした状况は强く力を及ぼし合う强相関电子系特有な状况であり、奇妙な金属状态を特徴づけるものと考えられます。本研究は、高温超伝导が生じる舞台となる奇妙な金属状态に光を当て、自己エネルギーの全貌を可视化することにより、奇妙な性质の根本となる多体相互作用を初めて定量的に明らかにすることができました。
図3
今后の展开
本研究の成果は、高温超伝导体における奇妙な金属状态や高温超伝导の発现メカニズムの解明に新たな视点を与えるものです。特に、温度が低下するにつれて急激に强まる结合定数のメカニズムを解明することは、高温超伝导の理解をさらに深めるとともに、高温超伝导体の超伝导転移温度を高める物质の设计指针や応用研究にも贡献します。さらに高温超伝导の舞台となる奇妙な金属状态は、力が强く働いている粒子の集団で生じる特有の量子现象であり、量子コンピュータなどの量子技术への応用の観点からも重要な知见を与えると期待されます。
用语説明
（＊１）1986年、铜酸化物で液体窒素温度（约-196℃）よりも高い温度で超伝导になることが発见され、铜酸化物高温超伝导体と呼ばれています。世界中で研究が进められていますが、高温超伝导の発现メカニズムは未だ完全には解明されていません。结晶构造の特徴として、超伝导の舞台となる铜と酸素からなる二次元的な平面（颁耻翱2面）を有しています。组成を変えて颁耻翱2面の电子を引き抜いて电子の抜けた穴（ホール）の浓度を変えることにより、超伝导転移温度や物性が変化します（図１）。现在、広く実用超伝导材料として用いられているニオブチタン合金などは、超伝导にするために约－263℃まで冷やす必要があります。これに対して、高温超伝导は液体窒素温度（-196℃）以上で超伝导が现れるため、产业応用に大きな期待が寄せられています。
（＊２）高分解能角度分解光电子分光とは、物质の电子构造を调べるための先端的な実験技术です。物质に放射光や紫外线レーザーなどの光を入射したときに放出される光电子のエネルギーと放出角度を计测することで、物质内部で波动として振る舞う电子を特徴づけるエネルギーと波数の分布を调べることができます。
（＊３）自己エネルギーとは、电子が周囲の环境から受ける力を特徴づける関数であり、実部（実数部分）と虚部（虚数部分）からなります。実部は力を受けた电子の「エネルギー変化の大きさ」を表し、虚部は电子の「エネルギー変化の频度」を表します。自己エネルギーの形や温度依存性を调べると、物质中の电子にどのような力がどのくらい働いているのか、それが温度によってどのように変化するのかがわかります。物质の电気的、磁気的性质は、电子にどのような力が働いているかにより决まるため、自己エネルギーを解明することは重要です。
（＊４）强相関电子系とは、マイナスの电気を帯びた电子同士がクーロン相互作用により反発し、お互いに避け合いながら运动することにより、自由电子的な振る舞いから逸脱した性质を示す物质群です。电子间の强い相互作用により、高温超伝导や巨大磁気抵抗など様々な物性を引き起こします。
（＊５）モット絶縁体とは、金属として振る舞うと予想されるにもかかわらず、电子间の强い反発力によって电子が自由に动けず、絶縁体としての性质を示す特殊な物质です。通常の物质では、结晶构造の対称性と原子と原子を结びつける电子の数に依存して金属になったり、絶縁体になったりします。
（＊６）多体相互作用とは、物质中で多数の粒子（主に电子や原子核など）が互いに影响を及ぼし合う复雑な相互作用のことを指します。特に、电子に働く相互作用は物质の电気的?磁気的特性に大きな影响を与えるため、物性物理学や材料科学の重要な研究対象となっています。
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