共鳴非弾性X線散乱による銅酸化物高温超伝導秩序と電荷励起の統一的観測

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K13994
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鈴木 博人 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80922947)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 共鳴非弾性X線散乱 / 銅酸化物 / 電荷励起

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は最適ドープ銅酸化物高温超伝導体における電荷秩序・素励起を酸素K吸収端共鳴非弾性X線散乱(RIXS)によって観測することを目的としている。実施計画に添い、最適ドープ３層系銅酸化物Bi2223のRIXS実験をTaiwan Photon Source 41Aにおいて実施した。初年度に行なった運動量移行q=(H,0,L)方向の測定結果を踏まえ、最終年度にはq=(H,H,L)方向のプラズモンの分散関係を決定した。ブリルアンゾーン中心での分散関係にはエネルギーギャップがあり、かつ分散の傾きがq=(H,0,L)方向よりも緩やかであることがわかった。
この観測結果を理論的に理解するため３層のCuO2層が繰り返された構造を持つ理論模型の電荷感受率を乱雑位相近似で計算した。３層の自由度に対応し３本のプラズモンの分散関係が現れるが、１本にはエネルギーギャップがなく、残りの２本にはギャップが存在する。角度分解光電子分光の結果から導かれている面内の電子のホッピング項を用い、３層間の電子ホッピングとクーロン相互作用の強度を調整することで、強度の最も強い2番目の分散関係が実験結果をよく再現することがわかった。一方３層のCuO2面のみを取り出した模型に対してはギャップのある分散関係が得られず、実験との不一致が見られた。これはプラズモンの分散関係に長距離のクーロン相互作用の効果が顕著に現れることを示す。
高温超伝導機構との関連をより系統的に調べるため、銅酸化物で最高の超伝導転移温度を示す水銀系銅酸化物Hg1223に測定対象を拡大した。試料劈開面に不均一性が生じる困難があるものの、同様のプラズモン分散関係の測定に成功した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute/DESY/Friedrich-Alexander-University(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute/DESY/Friedrich-Alexander-University
  • # of Other Institutions: 1
• [Int'l Joint Research] NSRRC(その他の国・地域)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: NSRRC
• [Int'l Joint Research] Universite Paris-Saclay/College de France(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Universite Paris-Saclay/College de France
• [Int'l Joint Research] Flatiron Institute(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Flatiron Institute
• [Int'l Joint Research] Orebro University(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Orebro University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 3
• [Journal Article] Distinct spin and orbital dynamics in Sr2RuO4 (2023)
  • Author(s): H. Suzuki, L. Wang, J. Bertinshaw, H. U. R. Strand, S. Kaser, M. Krautloher, Z. Yang, N. Wentzell, O. Parcollet, F. Jerzembeck, N. Kikugawa, A. P. Mackenzie, A. Georges, P. Hansmann, H. Gretarsson, B. Keimer
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 563-567
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42804-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Sr2RuO4におけるエネルギー的に分離したスピン・軌道励起の共鳴非弾性X線散乱による観測 (2024)
  • Author(s): 鈴木博人,L. Wang,J. Bertinshaw,H. U. R. Strand,S. Kaeser,M. Krautloher,Z. Yang,N. Wentzell,O. Parcolle,F. Jerzembeck,菊川直樹,A. P. Mackenzie,A. Georges,P. Hansmann,H. Gretarsson,B. Keimer
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] 酸素K端共鳴非弾性X線散乱による銅酸化物高温超伝導体Bi2223の電荷秩序・電荷励起の観測 (2024)
  • Author(s): 中田勝,岡本淳,志賀大亮,高橋龍之介,H. Y. Huang,A. Singh,組頭広志,和達大樹,石田茂之,永崎洋,藤森淳,D. J. Huang,鈴木博人
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会
• [Presentation] 酸素K端共鳴非弾性X線散乱による銅酸化物高温超伝導体Bi2223の電荷秩序の観測 (2023)
  • Author(s): 中田勝,岡本淳,志賀大亮,高橋龍之介,H. Y. Huang,A. Singh,組頭広志,和達大樹,石田茂之,永崎洋,藤森淳,D. J. Huang,鈴木博人
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 酸素K吸収端共鳴非弾性 X 線散乱による三層系銅酸化物Bi2223のプラズモン分散の観測 (2023)
  • Author(s): 中田勝,岡本淳,志賀大亮,高橋龍之介,H. Y. Huang,A. Singh,組頭広志,和達大樹,石田茂之,永崎洋,藤森淳,D. J. Huang,鈴木博人
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 共鳴非弾性X線散乱によるBi系銅酸化物の電荷励起 (2023)
  • Author(s): 鈴木博人
  • Organizer: 高温超伝導フォーラム
• [Presentation] Distinct spin and orbital dynamics in Sr2RuO4 (2023)
  • Author(s): Hakuto Suzuki
  • Organizer: RIXS/REXS workshop 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exotic magnetism in honeycomb ruthenium compounds: Insights from IRIXS (2023)
  • Author(s): Hakuto Suzuki
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exotic magnetism in honeycomb ruthenium compounds: Insights from IRIXS (2023)
  • Author(s): Hakuto Suzuki
  • Organizer: NSRRC seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Funded Workshop] RIXS/REXS workshop 2023 (2023)