ＳＴＭ・ＳＴＳから見た銅酸化物高温超伝導体の電子ネマティック状態とストライプ

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26400343
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: 桃野 直樹 室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00261280)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 走査トンネル顕微鏡 / 高温超伝導体 / 電荷秩序 / 擬ギャップ / ネマティシティ

Outline of Annual Research Achievements

走査トンネル顕微鏡や共鳴X線散乱実験などから銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップ状態において電荷秩序が発見され、その電荷秩序の起源が注目されている。本研究では、電荷秩序が発達している擬ギャップ状態が電子ネマティック相かどうかについて、走査トンネル顕微鏡（STM/STS）実験から知見を得ることを最終的な目的とする。平成27年度は以下の３つの項目について研究を推進した。
１．STM/STSに新たに追加したシェアピエゾ駆動型回転機構の制御プログラムの開発
２．シェアピエゾ駆動型回転機構の予備実験
３．不純物を添加したビスマス系銅酸化物単結晶試料の作製および評価
上記１の制御プログラム開発では、STM/STSの測定と連動して試料台を回転するように設計した。今回は試料台回転機構用とSTM/STS測定用とでコンピューターを分けたため、STM/STSのスキャン時間を入力し、その時間によって試料台の回転を制御する時間ベースの駆動型とした。また、２の予備実験では、Bi2212単結晶のSTM像を観測し、その像の動きから試料台の回転を確認できた。さらに、３では、不純物として少量のFeを添加したBi2212単結晶を作製し、そのSTM/STS実験を行った。本研究では、回転軸を探すためのマーカーとしてFe不純物の位置を使う予定であり、Fe不純物の位置を特定する方法を見出すことが重要となる。平成27年度の研究において、Fe不純物の位置が強調されるように正バイアスと負バイアスのSTM像の差をとることにより、Fe不純物の位置の特定に成功した。これらにより来年度において、探針形状を考慮した上で擬ギャップ状態におけるネマティシティについて明らかにしていくことが可能となった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、銅酸化物超伝導体の擬ギャップ相が電子ネマティック相かどうかについて、走査トンネル顕微鏡（STM/STS）実験から知見を得ることを目的とし、平成27年度の研究では、
１．STM/STSに新たに追加したシェアピエゾ駆動型回転機構の制御プログラムの開発
２．シェアピエゾ駆動型回転機構の予備実験
３．不純物を添加したビスマス系銅酸化物単結晶試料の作製および評価
について推進することを計画した。１の制御プログラムの開発では、時間駆動型ではあるが、研究計画通り、試料台の回転機構を制御することができた。また、２の予備実験においても平成26年に移動浮遊溶融帯域法により作製したビスマス系銅酸化物の単結晶試料（ピュア試料と少量の鉄を添加した試料の両方）を用いて試料台の回転を確認した。さらに、Feを添加した単結晶試料を作製し、その低温STM/STSの実験から、Fe不純物の原子レベルでの位置の特定に成功した。これらの結果について、査読付き英語論文（５報）、日本物理学会2015年秋季大会（２件）と国際会議（２件；SUPERSTRIPES 2015（招待講演、イタリア）、ICM2016（スペイン））で既に報告している。以上の理由により、現在までの達成度を「（２）おおむね順調に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、Fe不純物を添加したBi2212単結晶において、試料台回転機構をSTM/STS測定と連動させながら、STM/STS実験を行う。具体的には、まず、様々スキャン方向において、局所状態密度の空間依存性を測定する。次に、得られたデータを解析し、局所状態密度の空間依存性に現れるネマティシティと探針形状との関連性について調べ、擬ギャップ相のネマティシティについて結論する。探針形状の影響を取り除くことが難しい場合でも、その影響の大きさを見積もり、局所状態密度の空間依存性に現れるネマティシティの強さと比べることで、電荷秩序が発達している擬ギャップ状態が電子ネマティック相かどうかについて、結論することができると考えられる。

Causes of Carryover

走査トンネル顕微鏡・走査トンネル分光実験における消耗品が予想より少額で済んだためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額は極めて少額なため、次年度の消耗品費に含めて使用する。例えば、試薬あるいはSTM探針などの消耗品として使用する計画である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute(Switzerland)
  • Country Name: Switzerland
  • Counterpart Institution: Paul Scherrer Institute
• [Journal Article] The Impurity Effects on the Superconducting Gap in the High-T-c Superconductor Bi2Sr2CaCu2-xFexO8+delta Investigated by STM/STS (2016)
  • Author(s): Baar, S; Momono, N; Kawamura, K; Kobayashi, Y; Iwasaki, S; Sakawaki, T; Amakai, Y; Takano, H; Kurosawa, T; Oda, M; Ido, M
  • Journal Title: JOURNAL OF SUPERCONDUCTIVITY AND NOVEL MAGNETISM Volume: 29 Pages: 659-662
  • DOI: 10.1007/s10948-015-3320-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electron scattering, charge order, and pseudogap physics in La1.6-xNd0.4SrxCuO4: An angle-resolved photoemission spectroscopy study (2015)
  • Author(s): Matt, CE; Fatuzzo, CG; Sassa, Y; Mansson, M; Fatale, S; Bitetta, V; Shi, X; Paihes, S; Berntsen, MH; Kurosawa, T; Oda, M; Momono, N; Lipscombe, OJ; et al.
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 92 Pages: 134524
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.134524
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STM/STS studies for interplane disorder effects on the electronic states of the Cu-O plane in Bi2201 (2015)
  • Author(s): Kurosawa, T; Hatta, G; Miyazaki, H; Yamaji, J; Yoshikawa, K; Nakagawa, Y; Shibata, Y; Yoshida, H; Oda, M; Ido, M; Takeyama, K; Momono, N
  • Journal Title: INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B Volume: 29 Pages: 1542009
  • DOI: 10.1142/S0217979215420096
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nodal gap behavior of Bi(2)Sr(2-x)Ln(x)CuO(6+delta) (Ln = La, Eu) investigated by specific heat measurements (2015)
  • Author(s): Shimizu, M; Moriya, Y; Baar, S; Momono, N; Amakai, Y; Takano, H; Murayama, S; Kurosawa, T; Oda, M; Ido, M
  • Journal Title: INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B Volume: 29 Pages: 1542014
  • DOI: 10.1142/S021797921542014X
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Field-induced interplanar magnetic correlations in the high-temperature superconductor La1.88Sr0.12CuO4 (2015)
  • Author(s): Romer, AT; Ray, PJ; Jacobsen, H; Udby, L; Andersen, BM; Bertelsen, M; Holm, SL; Christensen, NB; Toft-Petersen, R; Skoulatos, M; Laver, M; Schneidewind, A; Link, P; Oda, M; Ido, M, Momono, N; Lefmann, K
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 91 Pages: 174507
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.174507
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] STM/STSから見たBi2Sr2CaCu2O8+deltaにおけるFe置換効果 (2015)
  • Author(s): 鈴木順也、桃野直樹、河村一磨、小林有幹、雨海有佑、高野英明、黒澤徹、小田研、伊土政幸
  • Organizer: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス（大阪府、吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] STM/STSから見たBi2Sr2Ca1-xDyxCu2O8+deltaのギャップ構造 (2015)
  • Author(s): 曽田純平、河村一磨、桃野直樹、雨海有佑、高野英明、黒澤徹、小田研、伊土政幸
  • Organizer: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス（大阪府、吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] Impurity defects in iron-doped Bi2212 (2015)
  • Author(s): S. Baar, N. Momono, J. Suzuki, J. Soda, K. Kobayashi, H. Takano, Y. Amakai, T. Kurosawa, M. Oda, M. Ido
  • Organizer: 20th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Palau de Congressos de Catalunya(Barcelona, Spain)
  • Year and Date: 2015-07-05 – 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effects of impurities and disorder on the superconducting gap of Bi-based cuprate superconductors investigated by STM/STS (2015)
  • Author(s): N. Momono
  • Organizer: Superstripes 2015 Quantum in Complex Matter: Superconducctivity, Magnetisum and Ferroelectricity
  • Place of Presentation: Hotel Continental Ischia(Napoli, Italy)
  • Year and Date: 2015-06-13 – 2015-06-18
  • Int'l Joint Research / Invited