強相関電子系物質とは?

 分子科学研究所 田中研究室では、強相関電子系物質の電子構造の解明を目的に角度分解光電子分光(Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES)という手法を用いて研究を行っています。 私たちの着目している電子は、全ての物質に存在し、物性に大きく関与する重要な役割を担っています。例えば、電気を流す金属では、電子は物質中で自由に運動することができ(自由電子)、これが物質に電気が流れる原因になっています。その一方で、電子の密度が非常に高くなると、電子同士が互い に強く相互作用しあい、固体物理学の基本理論であるバンド理論では電子の運動を説明できません。電子が互いに強い強相関関係をもつことから、このような系を「強相関電子系」と呼びます。

  この強相関電子系物質では、従来理論の予想を遥かに超えたきわめて多彩で面白い物性、例えば高温超伝導、巨大磁気抵抗、非フェルミ液体などが 出現することが最近の研究でわかってきました。田中研究室では、主に多層系銅酸化物高温超伝導体や鉄系超伝導体等の電子構造を観測し、超伝導の機構・起源を 解明するために、日々研究を行っています。

・銅酸化物高温超伝導体
 超伝導は、絶対零度(-273℃)に近い極低温において、電気抵抗がゼロになる現象です。この現象は、1908年にカマリング・オンネス(Kamerlingh Onnes)によって 発見されました。様々な金属で極低温下で超伝導が起きることが実験的に証明され、電子がフォノンと呼ばれる媒介によって対を作り(クーパー対)、超伝導を引き起こす BCS理論が確立されました。更に、1986年に銅を含んだ金属酸化物が、約-200℃で超伝導現象を示すことが報告され、 水銀を含む金属酸化物により約-100℃近くまで超伝導化する温度が上昇することが分かりました。これは、BCS理論では説明ができず、それまで、絶対零度近くでしか 超伝導を示さないとされていた従来の考えを覆す、驚くべき発見です。
 しかしながら、銅酸化物高温超伝導体が発見されてから、30年経過した今でも、超伝導の起源であるクーパー対の媒介が何か答えが出ていません。より超伝導転移 温度が高い物質の設計指針を示すためには、超伝導状態、又は常伝導状態での電子構造を詳細に調べる必要があります。そのため、物質の電子構造を直接観測する ことができる角度分解光電子分光は強相関電子系物質の物性を調べるのに非常に有効な手段です。
・鉄系高温超伝導体
 2008年に、日本から鉄を含む合金で超伝導が起こることが報告されました。これは鉄系超伝導体(iron-based superconductor)と呼ばれ、その超伝導の起源を解明するために盛んに研究が進められています。 鉄系超伝導体はその結晶構造の違いから、"11"、"111"、"122"、"1111"等の多岐にわたる物質群をもつことが特徴で、電子・ホールをキャリアとしてドープしたり、化学圧力を加えることで超伝導が発現することが知られています。
 銅酸化物高温超伝導体と非常に似た相図を示しますが、 銅酸化物高温超伝導体と異なり鉄系超伝導は不純物に非常に強いことが挙げられます。未だ銅酸化物高温超伝導よりも超伝導転移温度は低く、転移温度の上昇が望まれますが、その特徴を活かして産業的な応用にも期待が持たれています。鉄系超伝導も銅酸化物高温超伝導と同様に電子対(クーパー対)の媒介となるノリの役割を果たしているものがまだ理解されておらず、国内・国外で盛んに研究が進められています。


角度分解光電子分光 (ARPES)

 私たちが研究で利用する角度分解光電子分光は、1905年にアインシュタインによって提唱された「光量子仮説」を基に確立された実験方法です。物質に光を入射すると、外部光電効果によって物質内部の電子が 光電子として飛び出します。この電子のエネルギーや位置を詳細に調べることで、物質表面やバルクの電子状態を調べることができます。

スピン分解光電子分光


Under construction...

ビームライン及びエンドステーション BL7U & 5U at UVSOR-


 UVOSR-IIIシンクロトロン光共同利用施設では極端紫外光から軟X線までの高輝度・波長・偏光可変のシンクロトロン光を利用した実験を行うことができます。田中研究室では、主にBL7U、BL5Uを利用して研究を行っています。 分子科学研究所・極端紫外光研究施設(UVSOR)は、共同利用施設です。UVSORのご利用を希望される方、実験装置の詳細を知りたい方は、 UVSORホームページ又は各ビームライン・実験装置担当者までご連絡ください。 UVSORの利用について

BL7U -極端紫外光領域における固体・薄膜の低エネルギー高分解能角度分解光電子分光-

 BL7Uでは、極端紫外光と呼ばれる光hν = 6 eV 〜 40 eVの(波長:λ〜30-200 nm)の極端紫外領域のシンクロトロン光を利用して、固体バルク及び薄膜の低エネルギー 角度分解光電子分光(Angle-Resoloved Photoemission Spectroscopy: ARPES)を行うことができます[1]。BL7Uは、APPLE-II型のアンジュレータにより高輝度な シンクロトロン光(photon flux: 1011 - 1012)を発生させることができ、また高いエネルギー分解能(hν/Δhν = 10,000)を実現しています。
 BL7Uのエンドステーションでは、2018年6月現在、静電半球型分光器(MB Scientific AB, A-1 analyzer、取り込み角度:± 20°)、及び6軸マニピュレータ が設置されています(測定可能温度:T = 6-500 K)。これらの設備により、BL7Uでは、物性の理解を目的とした、3次元フェルミ面の観測や、低温・高温における物質の電子構造の変化等の低いエネルギー励起状態を詳細に観測することができます。その他の詳細については、装置担当者にお問い合わせください(お問い合わせ先)。


[1] S. Kumura et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 053104 (2010).


BL5U -固体・表面の空間・エネルギー・スピン高分解能角度分解光電子分光-

 BL5Uでは、hν = 20 eV 〜 200 eVの高輝度・偏光可変なシンクロトロン光を利用して、固体バルクや表面の電子構造を調べることができる実験ビームラインです。2014年1月より、ビームライン及びエンドステーションを高エネルギー分解能の実現を目指しアップグレードしたため、 ユーザー利用ができなくなっていましたが、2016年6月よりARPES測定は利用開始になりました。また、この実験ステーションでは、従来の角度分解光電子分光に加えて、スピン分解・電子構造の空間依存性も新しいスピンディテクターと数十μmまで集光されたビームにより観測することができる予定です(2019年以降を予定)。 その他の詳細については、装置担当者にお問い合わせください(お問い合わせ先)。



超高真空装置の開発

田中グループでは、超高真空中で利用する試料位置制御用ゴニオ(マニピュレータ)の開発を行っています。当研究室が独自に開発したマニピュレータ(6軸制御)で、 試料位置での到達温度が6K、参照試料(Au)の位置で5Kを達成しており、極低温が必要な実験テーマにも利用することが可能です。



最初に戻る