Research of superconducting mechanism of unconventional superconductivity by ultrahigh resolution soft x-ray laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy

• Project/Area Number: 19J11310
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 橋本 嵩広 東京大学, 物性研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 鉄系超伝導体 / BCS-BECクロスオーバー / レーザー角度分解光電子分光 / 極低温

Outline of Research at the Start

フェルミオンのペアリングはBCS-BECクロスオーバーという枠組みで統一的に説明されるが、固体中電子系の超伝導相でもこれが適用可能かについては未解明であった。鉄系超伝導体Fe(Se,S)の超伝導相においてBCS-BECクロスオーバーが起こっていると示唆されているため、レーザー角度分解光電子分光を用いて電子構造を直接観測する。極低温における超精密測定が求められるため、大強度連続波5.8eVレーザーを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

弱い引力相互作用による超伝導と、強い引力相互作用による超流動の間のBCS-BECクロスオーバーについて調べるために、極低温超高分解能レーザー角度分解光電子分光を用いて鉄系超伝導体FeSe1-xSxの超伝導状態での電子構造を研究してきた。本研究について、筆頭著者として論文を執筆し、当該年度にScience Advances誌に掲載された。
研究の具体的な内容について述べる。xを大きくすることで、超伝導相でのブルリアンゾーン中心のホールバンドの分散形状が下凸（BCS的）から上凸（BEC的）に変わっていくことを観測した。また、x = 0.21では超伝導転移温度よりも高温から状態密度にギャップ（擬ギャップ）が開くことを観測した。これらは、xを大きくすることでBCS状態からBEC状態に変わっていくことを示す証拠である。BCS-BECクロスオーバーの制御パラメータとしては、超伝導ギャップとフェルミエネルギーの比が用いられてきた。驚くべきことに、BCS-BECクロスオーバーとこの制御パラメータの振る舞い方がシングルバンドの場合の計算と比べて実験結果が逆であることが明らかになった。この理由として、超伝導ギャップを観測しているホールバンドと、ブルリアンゾーン中心にフェルミ準位より低エネルギー側に存在するもう一つのホールバンドの相互作用が考えられる。実際、xを大きくすることで二つのバンドのエネルギー差は小さくなっていることが観測され、低エネルギー側のバンドが超伝導のペアリングへの関与が大きくなることでBEC状態が実現していると理解することができる。本研究は、固体電子系において初めてBEC超伝導状態を発見したものと言える。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bose-Einstein Condensation Superconductivity Induced by Disappearance of the Nematic State (2020)
  • Author(s): T. Hashimoto, Y. Ota, A. Tsuzuki, T. Nagashima, A. Fukushima, S. Kasahara, Y. Matsuda, K. Matsuura, Y. Mizukami, T. Shibauchi, S. Shin, and K. Okazaki
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 6 Issue: 45
  • DOI: 10.1126/sciadv.abb9052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spintronic superconductor in a bulk layered material with natural spin-valve structure (2020)
  • Author(s): S. Sakuragi, S. Sasaki, R. Akashi, R. Sakagami, K. Kuroda, C. Bareille, T. Hashimoto, T. Nagashima, et al.
  • Journal Title: arXiv preprint Volume: -
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Massive Suppression of Proximity Pairing in Topological (Bi1－xSbx)2Te3 Films on Niobium (2020)
  • Author(s): Joseph A. Hlevyack, Sahand Najafzadeh, Meng-Kai Lin, Takahiro Hashimoto, Tsubaki Nagashima, Akihiro Tsuzuki, Akiko Fukushima, Cedric Bareille, Yang Bai, Peng Chen, Ro-Ya Liu, Yao Li, David Flototto, Jose Avila, James N. Eckstein, Shik Shin, Kozo Okazaki, and T.-C. Chiang
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photo-induced possible superconducting state with long-lived disproportionate band filling in FeSe (2019)
  • Author(s): Takeshi Suzuki*, Takashi Someya, Takahiro Hashimoto, Shoya Michimae, Mari Watanabe, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Takasada Shibauchi, Kozo Okazaki*, and Shik Shin*
  • Journal Title: Commun. Phys. Volume: 2 Issue: 1 Pages: 115-115
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0219-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Manifestation of the multiband nature in the BCS-BEC crossover of FeSe1-xSx (2019)
  • Author(s): Takahiro Hashimoto, Yuichi Ota, Akihiro Tsuzuki, Tsubaki Nagashima, Akiko Fukushima, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi, Kozo Okazaki, Shik Shin
  • Organizer: Spectroscopies in Novel Superconductors 2019
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ボース・アインシュタイン凝縮による超伝導を初めて確認
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=11590
• [Remarks] 東京大学物性研究所 辛研究室
  • URL: https://shin.issp.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 東京大学物性研究所 岡崎研究室
  • URL: https://okazaki.issp.u-tokyo.ac.jp/