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高温超伝導転移直前に隠された電荷秩序を発見 ~高温超伝導発現機構解明へ重要な鍵~

 岡山大学大学院自然科学研究科(理)の鄭国慶教授、川崎慎司准教授らの研究グループは、銅酸化物高温超伝導体において、未知の「電荷密度波秩序」が存在することを新たに発見しました。また、この秩序が、高温超伝導転移前の異常金属状態と関係があることを突き止めました。
 電子は「スピン」と「電荷」という二大素性をもっています。高温超伝導は電子のスピンが関与する反強磁性秩序状態が抑制されてから発現するため、これまでの研究はスピンの役割の解明に集中していました[5]。本研究グループは、今回新たに電荷の役割を発見したのです。すなわち、超伝導発現し始めるところでは、スピン秩序に取って代わって電荷秩序が現れることを突き止めました。電荷秩序の臨界温度はスピン秩序温度の連続的な延伸であり、キャリア濃度の増加とともに減少します。
 本研究成果は11月2日英国時間午前10時(日本時間午後6時)、英科学誌「Nature Communications 」に掲載されます。
 高温超伝導は1986年に発見されましたが、現在も超伝導発現メカニズムは未解明です。本研究成果は、高温超伝導発見後30年余り続く謎を解く鍵を与えるもので、超伝導発現の機構を考える上で重要な手がかりを与え、今後の高温超伝導現象理解に進展をもたらすことが期待されます。



図1:Bi2Sr2-xLaxCuO6の結晶構造。銅酸化物において、高温超伝導は、銅(青丸)と酸素(赤丸)で構成されるCuO2面(水色)で生じることが知られています。

図2:(a) CuO2面で実現する、モット絶縁体。銅原子[青丸]上に電子スピン[赤矢印]が局在した様子を模式的に表しています。(b) モット絶縁体へ元素置換により空孔を導入(ドーピング)すると、電気伝導が生じ、高温超伝導が発現することが知られています。(c) 元素置換により超伝導が生じる過程において強磁場を加えると、超伝導転移前に電荷密度波秩序が生じることを発見しました。今回明らかになったCuO2面で生じる電荷密度波の空間変調の様子を模式図で示しています。


図3:本研究で得られた相図(当該論文より)。モット絶縁体に対し、元素置換と磁場印加を行うと、超伝導転移前に異常金属相「擬ギャップ(pseudogap)」が表れ、低温で「反強磁性(AF)」、「電荷密度波(CDW)」、「超伝導(SC)」が順番に表れます。今回、擬ギャップ温度と電荷秩序の転移温度が比例関係にあることも明らかになり、擬ギャップの起源解明にも繋がりうる成果となりました。




<発表論文情報>
論文名:Charge-density-wave order takes over antiferromagnetism in Bi2Sr2-xLaxCuO6 superconductors
掲載誌:Nature Communications
著者:S. Kawasaki, Z. Li, M. Kitahashi, C. T. Lin, P. L. Kuhns, A. P. Reyes, and Guo-qing Zheng

<詳しい研究内容について>
高温超伝導転移直前に隠された電荷秩序を発見
~高温超伝導発現機構解明へ重要な鍵~



<本件お問い合わせ>
大学院自然科学研究科
数理物理科学専攻(理学部物理学科)
准教授 川崎慎司
(電話番号)086-251-7803