角度分解光電子分光による電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体の研究

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J09200
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 堀尾 眞史 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 銅酸化物高温超伝導体 / 光電子分光 / 反強磁性 / アニール

Outline of Annual Research Achievements

銅酸化物高温超伝導体は、母物質である反強磁性絶縁体にホールまたは電子をドープすることで高温超伝導が発現すると考えられてきたが、近年、電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体の薄膜試料では母物質でも超伝導が発現することが報告された。試料合成後に不純物酸素を取り除く目的で行われるアニールの手法を改良することによって、母物質の薄膜試料で超伝導が得られるようになったほか、体積の大きな単結晶試料でも非常に少量の電子ドープで超伝導は発現するようになってきている。私は、この超伝導の性質と起源を、光電子分光を用いて研究している。
今年度は、電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体Pr1.3-xLa0.7CexCuO4(x=0.10)の単結晶について前年度までに行った角度分解光電子分光測定の結果をまとめ、アニールによって反強磁性相関が強く抑制された超伝導状態が実現するという実験結果を論文として発表し(M. Horio et al., Nat. Commun. 7:10567 (2016).)、プレスリリースを行った。また、Pr1.3-xLa0.7CexCuO4の様々な組成の単結晶に対して内殻光電子分光を行い、内殻準位の束縛エネルギーを測定することにより、アニールによって電子がドープされ得ることと、そのドープ量がCe量に依存することを実験的に示した。
また、今年度は薄膜試料の光電子分光測定にも着手した。超伝導を発現する電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体の母物質Nd2CuO4の薄膜試料について、バルク敏感な硬X線を用いた内殻光電子分光を行った結果、アニールによる内殻スペクトルのエネルギーシフトや劇的な形状変化を観測した。そして、それらの変化が、アニールによって電気伝導性が大幅に上昇するとともに電子がドープされたと考えることで説明できることを示した。
以上のように、今年度の研究により、電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体において超伝導を発現させるために必要なアニールの効果について、理解を進めることができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

前年度の研究を発展させ、より様々な化学組成の単結晶試料の内殻光電子分光測定を行い、系統的な研究を遂行することができた。また、薄膜試料の内殻光電子分光にも成功し、アニールによる電子状態の変化を観測することに成功した。昨年目標としていた測定を概ね実行することができたため、研究課題は順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今年度は単結晶試料や薄膜試料に対して内殻光電子分光測定を行ったが、来年度には角度分解光電子分光測定を行う。複数の手法を組み合わせ、電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体の電子状態の全体像を明らかにすることを目標とする。

Remarks

出版論文(DOI: 10.1038/ncomms10567)について行ったプレスリリースのWebページ。

Research Products

• [Journal Article] Suppression of the antiferromagnetic pseudogap in the electron-doped high-temperature superconductor by protect annealing (2016)
  • Author(s): M. Horio, T. Adachi, Y. Mori, A. Takahashi, T. Yoshida, H. Suzuki, L. C. C. Ambolode II, K. Okazaki, K. Ono, H. Kumigashira, H. Anzai, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, D. Ootsuki, K. Sawada, M. Takahashi, T. Mizokawa, Y. Koike, A. Fujimori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Pages: 10567
  • DOI: 10.1038/ncomms10567
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fermi Surfaces and p-d Hybridization in the Diluted Magnetic Semiconductor Ba1-xKx(Zn1-yMny)2As2 Studied by Soft X-ray Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (2015)
  • Author(s): H. Suzuki, G. Q. Zhao, K. Zhao, B. J. Chen, M. Horio, K. Koshiishi, J. Xu, M. Kobayashi, M. Minohara, E. Sakai, K. Horiba, H. Kumigashira, Bo Gu, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin, A. Fujimori
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Pages: 235120
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.235120
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] As-grown superconducting Pr2CuO4 under thermodynamic constraints (2015)
  • Author(s): Y. Krockenberger*, M. Horio*, H. Irie, A. Fujimori, H. Yamamoto (*Equally contributed)
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 8 Pages: 053101
  • DOI: 10.7567/APEX.8.053101
  • Peer Reviewed
• [Presentation] T’型銅酸化物母物質超伝導体薄膜Nd2CuO4の硬X線光電子分光 (2016)
  • Author(s): 堀尾眞史, Yoshiharu Krockenberger, 山本航平, 横山優一, 田久保耕, 平田靖透, 辛埴, 保井晃, 池永英司, 山本秀樹, 和達大樹, 藤森淳
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Hard X-ray photoemission and soft X-ray absorption spectroscopies on the superconducting parent compound of T’-cuprate superconductors Nd2CuO4 (2016)
  • Author(s): M. Horio, Y. Krockenberger, K. Yamamoto, Y. Yokoyama, K. Takubo, Y. Hirata, S. Shin, A. Yasui, E. Ikenaga, H. Yamamoto, H. Wadati, A. Fujimori
  • Organizer: The 16-th Japan- Korea-Taiwan Workshop on Strongly Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2016-02-19 – 2016-02-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体Pr1.3-xLa0.7CexCuO4の内殻光電子分光 (2016)
  • Author(s): 堀尾眞史, 芝田悟朗, 鈴木博人, 徐健, 輿石佳佑, 今野巧也, 高橋晶, 扇太郎, 佐藤秀孝, 小林正起, 簑原誠人, 堀場弘司, 組頭広志, 足立匡, 小池洋二, 藤森淳
  • Organizer: 日本放射光学会2016年年会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [Presentation] Impact of annealing on the electronic structure of the elelectron-doped cuprate superconductors (2016)
  • Author(s): M. Horio, T. Yoshida, H. Suzuki, G. Shibata, K. Okazaki, J. Xu, K. Koshiishi, Y. Mori, A. Takahashi, T. Konno, T. Ohgi, H. Sato, D. Ootsuki, T. Mizokawa, K. Ono, M. Kobayashi, M. Minohara, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Anzai, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, T. Adachi, Y. Koike, A. Fujimori
  • Organizer: International USMM & CMSI Workshop: Frontiers of Materials and Correlated Electron Science from Bulk to Thin Films and Interfaces
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2016-01-05 – 2016-01-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X 線内殻光電子分光で調べる電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体におけるアニール効果 (2015)
  • Author(s): 堀尾眞史, 芝田悟朗, 鈴木博人, 徐健, 輿石佳佑, 今野巧也, 高橋晶, 扇太郎, 佐藤秀孝, 小林正起, 簑原誠人, 堀場弘司, 組頭広志, 足立匡, 小池洋二, 藤森淳
  • Organizer: 第9回物性科学領域横断研究会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-11-13 – 2015-11-15
• [Presentation] 電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体Pr1.3-xLa0.7CexCuO4の内殻分光 (2015)
  • Author(s): 堀尾眞史, 芝田悟朗, 鈴木博人, 徐健, 輿石佳佑, 今野巧也, 高橋晶, 扇太郎, 佐藤秀孝, 小林正起, 簑原誠人, 堀場弘司, 組頭広志, 足立匡, 小池洋二, 藤森淳
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Remarks] 反強磁性の影響がない高温超伝導状態を観測
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2016/4598/
• [Remarks] 超伝導の効果を妨げる磁性を排除した高温超伝導状態を観測
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/observation-of-high-temperature-superconductivity-without-effect-of-magnetism.html