対称性変化ダイナミクス観測にもとづく非従来型超伝導の解明

Research Project

Project/Area Number	18J10148
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Research Field	Optical engineering, Photon science
Research Institution	Hokkaido University
Research Fellow	中川紘一北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2018-04-25 – 2020-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000) Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords	非従来型超伝導 / 時間分解分光
Outline of Annual Research Achievements	高温超伝導体や有機超伝導体に代表される非従来型超伝導体の解明は、物性物理学における長年の未解決問題であり、応用上極めて重要な室温超伝導の実現の鍵となる。近年、解明の糸口として、超伝導転移温度以上で現れる不完全なギャップ構造である擬ギャップが注目を集めている。本研究の目的は、擬ギャップの起源、そして超伝導と擬ギャップの関係性を電子相関の観点から解明することである。本年度では主に、擬ギャップ及び超伝導と電子相関の関係性に注目し、有機超伝導体に対する偏光時間分解分光法を実施した。中でも、強い電子相関により反強磁性秩序を示す領域と、やや電子相関が弱められ超伝導秩序を示す領域の境界付近のモット転移付近の電子状態に注目した。この領域はキャリアの遍歴性と局在性の臨界に相当し、特異な現象が多数報告されている。調査の結果、有機超伝導体において面内異方性で特徴づけられる擬ギャップ状態が普遍的に存在することが判明した。他方、その温度特性は電子相関によって定性的に異なることを見出し、擬ギャップの電子相関効果を発見した。更に、超伝導状態が極めて遅い緩和ダイナミクスで特徴づけられることを見つけた。特に、電子相関の強い試料では超伝導応答が転移温度よりもはるかに高い温度領域まで観測され、モット転移近傍において超伝導揺らぎが発散的に成長することを指摘した。この成果は超伝導発現において電子相関が重要であることを示唆する。また電子相関のもたらす対称性変化の多次元解析を目的とした、光の軌道角運動量（OAM）を励起に用いた時間分解分光に関しても利用を検討した。鏡面領域の広い銅酸化物試料に対しては既に応答検出が実現されているが、有機試料では鏡面領域が限定される上、信号強度が元来小さく、対策を要することがわかった。今後は高開口度の対物レンズの利用や偏光応答の高感度検出などに取り組む予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 偏光時間分解分光をもとに有機超伝導体の擬ギャップおよび超伝導の電子状態を特徴づけることに成功し、電子相関に対する系統的な解析を実施した。解析結果からモット臨界近傍において超伝導揺らぎが発散的に成長することを明らかにすることができた。以上の実績を踏まえ、本研究課題は順調に進んでいると考える。
Strategy for Future Research Activity	次年度では、有機超伝導体における不完全な電子秩序構造形成の起源解明を目的とし、本年度で扱った試料に加え、新たな試料を対象に偏光時間分解分光を行う。また、多次元対称性という観点から擬ギャップ起源を明らかにするため、光の軌道角運動量（OAM）を励起に用いた時間分解分光を実現する。以上より、非従来型超伝導の擬ギャップに関する新たな知見探索を行い、研究目的を達する。本年度では、電子相関の異なる有機超伝導体に対し偏光時間分解分光を実施し、対称性破れを伴う擬ギャップの温度特性が電子相関により特徴づけられることを明らかにした。ここで明らかとなった秩序構造は格子系の構造秩序状態と何等かの関係があると考えられるが、詳細は明らかではない。そこで、次年度では電子系の不完全な秩序構造形成の起源探索のため、格子あるいは電子系の秩序状態を冷却速度により制御可能な有機導体を対象に測定を実施し、その関係性の解明から擬ギャップ起源を探る。また、光の軌道角運動量（OAM）を用いた多次元対称性解析の開発を行う。本年度で検討したように、鏡面領域の大きい銅酸化物試料を対象とした測定は実現しているものの、元来、鏡面領域が小さい上に、信号強度の小さい有機伝導体では改善を要する。これまでの有機超伝導体を対象とした偏光時間分解分光の幅広い実験データをもとに改善を進める。