多層系高温超伝導体の角度分解光電子分光による研究

• Project/Area Number: 10J01190
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)(実験)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 出田 真一郎 東京大学, 大学院・理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 銅酸化物高温超伝導体 / 鉄系高温超伝導体 / 角度分解光電子分光 / 電子構造 / 超伝導ギャップ / 擬ギャップ / フェルミアーク / 不純ドープ型BaFe_2As_2

Research Abstract

高温超伝導体の基礎研究において究極の目的は、超伝導機構を解明し、室温超伝導を実現することである。現時点で、超伝導転移温度T_cの最高記録は高圧下のHg系銅酸化物高温超伝導体でT_c～169Kを達成し、近年発見された鉄系高温超伝導体では、Tc～55Kが報告されている。しかしながら、更に高い君を実現するためには、物質設計の指針が必要であり、微視的な超伝導機構の解明が強く望まれる。
銅酸化物高温超伝導体では、CuO_2面の枚数の増加とT_cとの関連を明らかにするために、3枚のCuO_2面をもち、高いT_c(～110K)を示すBi系銅酸化物高温超伝導体Bi2223の電子構造を、角度分解光電子分光(ARPEs)を用いて詳細に調べた。Bi2223では、超伝導状態と、常伝導状態で観測されたエネルギーギャップ、及びエネルギーギャップの存在しない波数領域(フェルミアーク領域)の間に関係を見出だし、Tcを決定する重要な秩序パラメータを見出だした。その結果は、論文にまとめられ、Physical Review Bに受理された。
鉄系高温超伝導体では、母物質BaFe_2As_2のFeサイトにNi,Cu,Znを不純物ドープした、電子ドープ型鉄系超伝導体の電子構造を、ARPESを用いて観測し、不純物ドープが超伝導に与える影響について詳細に調べた。一般に電子ドープ型鉄系超伝導体は、電子がFeAs層にドープされることにより、電子フェルミ面の体積は大きくなる一方で、ホール面のそれは小さくなると予想されるが、CuをドープしたBaFe_2As_2の電子フェルミ面の体積はCuの量に関わらずほとんど変化しなかった。ZnをドープしたBaFe_2As_2では、母物質で観測されている反強磁性秩序によるブリルアンゾーンの折りたたみによるバンド分散の折り返し構造が明瞭に観測され、またホール面、電子面が観測された。このことは、不純物置換によりドープされた電子の振る舞いを理解するための、重要な知見を得たと考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

銅酸化物超伝導体では、超伝導ギャップとフェルミアークの関係を調べた研究成果を論文として発表できた。鉄系超伝導体では、不純物ドープ型鉄系超伝導体を系統的に測定し、その結果を現在論文にまとめている。

Strategy for Future Research Activity

銅酸化物超伝導体では、CuO_2面を3枚もつBi2223の電子構造において観測されている特徴的な電子構造の機構を解明する。また、CuO_2面が1枚にも関わらずT_cが非常に高いHg系銅酸化物超伝導の電子構造の解明に取り掛かる。
鉄系超伝導体では、CoドープしたBaFe_2As_2でCoが過剰にドープされた領域で超伝導ギャップにノードが存在するという結果が報告されているが、角度分解光電子分光による直接的な観測結果はまだない。今後の方策として、ギャップの異方性を決定することを目的にする。

Research Products

• [Journal Article] Energy scale directly related to superconductivity in high-T_c cuprates : Universality from the temperature-dependent angle-resolved photoemission of Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10+δ> (2012)
  • Author(s): S.Ideta, T.Yoshida, A.Fujimori, H.Anzai, T.Fujita, A.Ino, M.Arita, H.Namatame, M.Taniguchi, Z.-X.Shen, K.Takashima, K.Kojima, S.Uchida
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 85 Issue: 10 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.104515
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-and Three-Dimensional Fermi Surfaces and their Nesting Properties in Superconducting BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 (2011)
  • Author(s): T.Yoshida, I.Nishi, S.Ideta, A.Fujimori, M.Kubota, K.Ono, S.Kasahara, T.Shibauchi, T.Terashima, Y.Matsuda, H.Ikeda, R.Arita
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 106 Issue: 11 Pages: 117001-117001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.117001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Angle-resolved photoemission spectroscopy study of PrFeAsO_<0.7> : Comparison with LaFePO (2011)
  • Author(s): I.Nishi, M.Ishikado, S.Ideta, W.Malaeb, T.Yoshida, A.Fujimori, Y.Kotani, M.Kubota, K.Ono, M.Yi, D.H.Lu, R.Moore, Z.-X.Shen, A.Iyo, K.Kihou, H.Kito, H.Eisaki, S.Shamoto, R.Arita
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 84 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.014504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-and Three-Dimensional Fermi Surfaces and their Nesting Properties in Superconducting BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 (2011)
  • Author(s): 吉田鉄平、西一郎、出田真一郎、藤森淳、久保田正人、小野寛太、笠原茂、芝内孝禎、寺島孝、松田祐司、池田浩章、有田良太郎
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Superconducting Gaps in the Trilayer High-Temperature Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10+δ> Cuprate Superconductor (2010)
  • Author(s): 出田真一郎、高島憲一、橋本信、吉田鉄平、藤森淳、安斎太陽、藤田泰輔、中島陽祐、井野明洋、有田将司、生天目博文、谷口雅樹、小野寛太、久保田正人、D.H.Lu、Z.-X.Shen、小嶋健児、内田慎一
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Angle-resolved photoemission study of the trilayer high-T_c superconductor Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10+δ> : Effects of inter-layer hopping (2010)
  • Author(s): 出田真一郎、高島憲一、橋本信、吉田鉄平、藤森淳、安斎太陽、藤田泰輔、中島陽祐、井野明洋、有田将司、生天目博文、谷口雅樹、小野寛太、久保田正人、D.H.Lu、Z.-X.Shen、小嶋健児、内田慎一
  • Journal Title: Physica C Volume: 470
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Anisotropy of the Superconducting Gap in BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 (2012)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: The 16th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
• [Presentation] 電子ドープ型鉄系超伝導体Ba(Fe_<1-x>Zn_x)_2As_2におけるリジッドバンドシフトの破れ (2012)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学(兵庫県)
• [Presentation] 電子ドープ型鉄系超伝導体Ba(Fe_<1-x>T_x)_2As_2(T=Ni,Cu,Zn)のFeサイト置換効果 (2012)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 第29回PFシンポジウム
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県)
• [Presentation] Anomalous Kink Energy scales in the Tri-layer High-T_c Cuprate Superconductor Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10+δ> observed by ARPES (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
  • Place of Presentation: Berkeley, California, USA
• [Presentation] Electronic Structre of the Electron-Doped Ba(Fe_<1-x>TM_x)_2As_2(TM=Ni, Cu) Observed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: International Workshop on Novel Supercondutors and Super Materials 2011(NS^2 2011)
  • Place of Presentation: 日本未来科学館
• [Presentation] Out-of-Plane Momentum Dependence of the Superconducting Gap in BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 Observed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: The 15th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: 広島大学
• [Presentation] Electronic structure of the iron-based superconductor Ba(Fe_<1-x>TM_x)_2As_2(TM=Ni, Cu) observed by ARPES (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 11th Korea-Japan-Taiwan Symposium on Strongly Correlated Electron System+8th Workshop for A3 Foresight
  • Place of Presentation: 韓国、チェジュ島
• [Presentation] Electronic structure of the electron-doped iron-based superconductors Ba(Fe_<1-x>TM_x)_2As_2(TM=Ni, Cu) observed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 4-th Indo-Japan Seminar "Electronic Structure of Novel Magnetic and Superconducting Materials"
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるBa(Fe_<1-x>TM_x)_2As_2(TM=Ni, Cu)のフェルミ面観測 (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 第24回日本放射光学会年会 放射光化学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: エポカルつくば国際会議場
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるBa(Fe_<1-x>Cu_x)_2As_2の電子構造観測 (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
• [Presentation] Relationship between the Fermi Arc Length, Energy Gap, and Superconducting Transition Temperature in the high-Tc Cuprate Superconductors observed by ARPES (2010)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: The 9th International Conference on Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS2010)
  • Place of Presentation: 中国、上海
• [Presentation] Three dimensional Fermi surfaces of iron-based superconductor Ba(Fe_<1-x>Ni_x)_2As_2 0bserved by ARPES (2010)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: A3 Foresight Program of "Joint Research on Novel Properties of Complex Oxides"
  • Place of Presentation: 京都、京都ルビノ堀川
• [Presentation] lectronic structure of iron-based superconductor Ba(Fe_<1-x>MT_x)_2As_2(TM=Ni, Cu) observed by ARPES (2010)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 物構研シンポジウム'10「量子ビーム科学の展望」
  • Place of Presentation: エポカルつくば国際会議場
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるBa(Fe_<1-x>Ni_x)_2As_2のフェルミ面と超伝導ギャップの観測 (2010)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第65回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学
• [Book] 放射光 (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 日本放射光学会
• [Book] Global COE 2010 特集:活躍する若手研究者たち未来を拓く物理学科結集教育研究拠点 (2011)
  • Author(s): 出田真一郎
  • Publisher: 東京大学COEプログラム推進室
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/site/shinichiroidetahome/
• [Remarks]
  • URL: http://wyvern.phys.s.u-tokyo.ac.jp/y/Ideta/SIdeta%5b1%5d.html