2014 Fiscal Year Research-status Report
銅酸化物高温超伝導体における超伝導ギャップ関数の動的構造と擬ギャップ
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26800179
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
酒井 志朗 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (80506733)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 高温超伝導 / 銅酸化物 / クラスター動的平均場理論 / 国際情報交換（フランス） |
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| Outline of Annual Research Achievements |
銅酸化物高温超伝導体の低エネルギー電子状態を記述すると考えられている２次元ハバード模型について、動的（周波数依存の）電子構造をクラスター動的平均場理論を用いた数値計算により調べた。特に超伝導状態における超伝導ギャップ関数やそれを構成する自己エネルギーの正常部分・異常部分の周波数構造に焦点を絞って詳細に調べた。その結果、正常・異常自己エネルギーの虚部が低エネルギーに鋭いピークを示すこと、そのピーク位置が正常部分と異常部分で一致すること、また、そのピーク強度の間には非自明な関係があり一電子励起スペクトル関数中ではピークが互いに打ち消し合い見えなくなることを見い出した。また、通常の超伝導体と異なり、超伝導ギャップ関数の虚部が異常自己エネルギーのそれとは異なる周波数にピークを持つことを見いだした。
これらの非自明な動的構造の起源を追求した結果、超伝導電子対を構成する低エネルギー電子（準粒子）が、何らかの隠れたフェルミオン的励起と混成していることで、上述のピークが作られることを見いだした。超伝導ギャップ関数の虚部に見いだされたピークは超伝導を著しく強化する役割を果たしているため、この結果は、フェルミオン励起によって引き起こされる高温超伝導機構と言える。それは、超伝導電子対を媒介する引力としてボソン的励起だけを考えてきた従来理論とは異なる新しい機構である。
また、転移温度以上の擬ギャップ状態から転移温度以下の超伝導状態へ、電子構造がどのように変遷していくか温度を変えながら詳細に調べ、擬ギャップを生む自己エネルギーの特異点から異常自己エネルギーの増大が始まること、しかし上述の打ち消し合いの結果、超伝導ギャップ自体は別の特異点と関係すること、を見いだした。これは、擬ギャップと超伝導ギャップの関係について新しい理解を与える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の主目的である、２次元ハバード模型における超伝導ギャップ関数のピークの起源解明、及び擬ギャップと超伝導ギャップの関係解明という２点について、「研究実績の概要」で述べたような重要な成果が得られた。
まず、２次元ハバード模型についての数値計算としては、計画通りに様々な電子濃度と温度において計算を行い、超伝導転移温度も決定することができた。その上で、超伝導ギャップ関数はもとより、正常・異常自己エネルギーについても、模型のパラメータや温度を変えながら詳細な解析を行った。２体の感受率の計算のためのプログラムコード開発も行った。
当初、従来の超伝導理論と同様にボソン的励起の範囲でピークの起源を探るつもりで、申請書においてもその方向で研究計画を記述したが、常識とは異なるフェルミオン励起との混成を考えたことで、様々な数値計算結果を統一的に説明することができた。その際、準粒子と隠れたフェルミオン励起が混成した単純な模型を導入したことで、同時に、次年度以降に予定されていた現象論の構築も達成できたと言える。
また、擬ギャップと超伝導ギャップの関係についても数値計算データの詳細な検討により、「研究実績の概要」欄で述べたような自己エネルギーピークの打ち消し合いを見い出し、それが鍵となって、数学的なレベルでの新たな理解が得られた。
これらの結果について、論文にまとめ投稿した。また、国際会議で３件（内、招待講演２件）、国内会議で４件（内、招待講演２件）の講演を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導ギャップ関数のピークがフェルミオン的励起に由来するという、当初の予想や常識とは根本的に異なる結果が得られたが、そのフェルミオン的励起の正体はまだ完全には明らかでない。これまでの数値計算結果の解析により、いくつか手がかりは得られているが、より詳細な解析が必要である。この点について研究を推進する。
また、当初予定していた２体の感受率の計算については、ボソンを見つけるという目的ではないものの、実験結果との比較という点で興味深く、予定通り推進する。これについては、クラスター動的平均場理論での微視的な計算と、準粒子と隠れたフェルミオンの混成を表す現象論的模型での計算を併用して研究を進める。
更に、銅酸化物における隠れたフェルミオン的励起の存在は、他の非従来型超伝導体でもフェルミオン的励起が存在する可能性を示唆する。例えば、重い電子系やフラーレン超伝導体、冷却フェルミ原子系などを表す理論模型において、非従来型超伝導が起こることが知られており、それらの超伝導機構についても、動的構造の数値計算を出発点として迫りたい。特に、銅酸化物の斥力ハバード模型とよく似た、引力ハバード模型（冷却フェルミ原子系で実現）における超伝導状態及び擬ギャップ状態は、斥力系との比較を通して、隠れたフェルミオンの正体に迫れる可能性があり興味深い。無限次元において厳密になる動的平均場理論を用いて、引力ハバード模型の超伝導についても研究を進める。
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| Causes of Carryover |
当初の予定通り、今年度の支出は主に研究計画を推進するための高性能計算機の購入及び、国際会議で研究成果を発表するための旅費に充てた。このような高性能計算機の価格及び国際会議出席のための旅費等は為替相場の変動により随時変化するため、当初の予想金額からずれ、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度に予定している国際会議での講演に必要な旅費に、次年度の予算と合わせて計上する。
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[Presentation] Evidences of an s-wave structure of the pseudogap in high-Tc cuprate superconductors2014
Author(s)
S. Sakai, S. Blanc, M. Civelli, Y. Gallais, M. Cazayous, M.-A. Measson, J. S. Wen, Z. J. Xu, G. D. Gu, G. Sangiovanni, Y. Motome, K. Held, A. Sacuto, A. Georges, and M. Imada
Organizer
Low Energy Electrodynamics in Solids
Place of Presentation
Loire Valley, France
Year and Date
2014-06-30
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