2022 Fiscal Year Annual Research Report
コンプトン散乱と角度分解光電子分光の相補利用で検証する銅酸化物のフェルミ面
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20H01856
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
山瀬 博之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (10342867)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 鉄平 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (10376600)
櫻井 吉晴 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 放射光利用研究基盤センター, 副センター長 (90205815)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | フェルミ面 / 電子ネマチック液晶 / コンプトン散乱 / 角度分解光電子分光 / 銅酸化物高温超伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コンプトン散乱によって、キャリアを8%ドープしたLa系銅酸化物高温超伝導体の電子運動量分布を研究している。過去2年間で300Kと150K、75Kのデータを取得し、それらが強い温度依存性を示すことが分かった。そこで特徴的な温度を見極めるために、より短時間で測定できるコンプトンプロファイルを300K、250K、200K、150K、100K、50K、10Kにて測定し、温度依存性の全体像を掴むことにした。その結果、驚くべきことに、どこかの温度で顕著に変化するというよりは、むしろすべての温度領域にわたって、クロスオーバー的に変化している可能性が示唆された。そこで、150Kを境にして、2022年度は、125Kと25Kで電子運動量分布を測定した。実験データは現在解析中であるが、150Kより高温側では電子ネマチックの効果が顕著であり、それが低温側でクロスオーバー的に密度波の効果を受けて変化していく様子が浮かび上がりつつある。一方、理論研究は、この低温での密度波形成の可能性を受け、電荷およびスピンの揺らぎの効果に着目して実施した。
角度分解光電子分光（ARPES）の従来の実験では、真空紫外域の光が用いられていたが、その結果は表面電子状態を強く反映している可能性が浮上した。そこで、バルク敏感な軟X線の実験を最適ドープ試料に対して行った。バルクと表面の電子状態の違いを示す十分なデータは得られなかったが、酸素1sおよび銅2pの吸収端付近の励起エネルギーで共鳴光電子スペクトルを得ることが出来た。一方、よりバルク敏感である硬X線の実験も行った。過少ドープ、最適ドープ、過剰ドープ試料について化学ポテンシャルの温度依存性とその組成依存性に焦点を当てた。その結果、先行研究と定性的に似た傾向が観測されたが、定量的なシフト量に関しては先行研究よりも小さいことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コンプトン散乱実験による電子運動量分布の測定には膨大な時間がかかるが、3年間を通じて300K, 150K, 125K, 75K, 25Kでデータを取得出来、着実に研究が進んでいる。また、300Kから10Kに渡って、運動量分布関数がクロスオーバー的に変化している可能性を掴めた点は、研究の指針を決める上で非常に重要な成果であった。一方、角度分解光電子分光では、バルクと表面の電子状態の違いの決定的証拠がまだ得られておらず、さらにコンプトン散乱実験結果との対応も非自明な状況であり、研究の進捗にやや遅れがあると言える。しかし、理論研究では、当初の予想以上の成果が出ている。2016年にブリュアンゾーンセンターにおいて電荷励起にギャップがあることを理論的に予言したが、その検証を共鳴非弾性X線散乱実験で行い、理論的予言が正しいことを確かめることが出来た。これによって、銅酸化物高温超伝導体での電荷揺らぎの理論的理解が一層強固になった。さらに、現在話題になっているニッケル系酸化物超伝導体にも理論を適応して、他の物質群での実験的検証も提案した。また、スピン密度波形成が生じると超伝導が抑制される傾向があることはすでに知られているが、密度波がまだ形成されていないスピンの揺らぎであっても、超伝導不安定性が抑制される、という驚くような結果を示すことに成功した。電子ネマチック状態では、ネマティシティが不連続的に変化するグリフィス翼が存在することが理論的に予言されているが、まだ実験的検証には成功していない。そこで、実験との比較を行い易いメタ磁性転移を示す物質群に理論を適応した。その結果、磁化が不連続的に変化するグリフィス翼が存在し、実験結果を定性的に良く説明することを示した。ネマティシティに対応する同様な効果が銅酸化物でも存在すると期待される。以上を総合的に考え、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
コンプトン散乱実験に対しては以下の2つを行う。（1）電子ネマチックの効果が大きいと思われる150K以上の電子運動量分布を測定する。特に、電子ネマチック相関の「オンセット」温度を見極めるべく、300K以上での測定にも挑戦する。（2）密度波形成と超伝導との関連を明らかにするため超伝導転移温度以下での測定を行う。以上の実験を本科研費研究で行うことによって、室温付近の高温から超伝導転移点以下の低温までの広範な温度領域で電子運動量分布の変化の包括的なデータを取得することができる。このデータを基にして、フェルミ面が温度とともにどのように変形しているのか、電子ネマチック、密度波、超伝導の3つの現象が絡んだ物性を明らかにしたい。このようなコンプトン散乱実験と並行して、角度分解光電子分光によるバルク効果の同定を引き続き行う。コンプトン散乱と角度分解光電子分光は同じ物理的洞察を与えるのか否か、その結論を出したい。一方、理論研究は、密度波揺らぎによる電子状態の繰り込みを明らかにするとともに、スピンの揺らぎが超伝導不安定性を抑制する効果をさらに追求して、銅酸化物高温超伝導体の理解につなげたい。
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