実空間と時間の両領域で見る銅酸化物における擬ギャップ状態と高温超伝導の関わり

• 研究課題/領域番号: 19K03732
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 小田 研 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70204211)
• 研究分担者: 戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 銅酸化物高温超伝導 / STM/STS / ポンププローブ時間分解分 / 擬ギャップ / 電子系変調構造 / 反強磁性秩序 / ポンププローブ時間分解分光 / 高温超伝導 / 銅酸化物 / 強相関電子系 / 走査トンネル分光 / ポンプ・プローブ時間分解分光

研究開始時の研究の概要

本研究では、銅酸化物高温超伝導体Bi2212で走査トンネル分光（STS）とポンププローブ時間分解分光（PPTS）を行い、実・時間空間の双方から“擬ギャップ（PG）を担う電子状態が高温超伝導の発現に関わっているか”の問題にアプローチする。STSでは、PGと超伝導ギャップに関係する電子系変調構造間の実空間相関を調べ、電子系変調の起源に関する知見を得ると共に、PG状態と超伝導に関係する電子状態間の相互作用の可能性を明らかにする。PPTSでは、高強度パルス光の照射により超伝導相とPG状態を局所的に破壊し、その後の回復過程における両者の時間相関を基にPGを担う電子状態と超伝導の発現との関わりを議論する。

研究成果の概要

本研究では、ビスマス系銅酸化物高温超伝導体の単結晶試料で走査トンネル顕微鏡/分光およびポンプ・プローブ時間分解分光を行い、本系の特徴である３種類の電子系変調（擬ギャップを担うアンタイノード領域のｄ構造因子密度波とチェッカーボード変調、超伝導を担うフェルミアーク領域で起こる準粒子干渉変調）間の実空間相関および、擬ギャップ状態と超伝導の形成過程における時間相関を調べた。この研究により得られた結果を基に、チェッカーボード変調の起源がクーパー対密度波であることを示すとともに、擬ギャップを担う電子状態が高温超伝導の発現に関わっていることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

銅酸化物高温超伝導体は、その発見当初から従来の超伝導発現機構とは異なる新しいメカニズムの可能性が指摘され、学術的に大きな注目を集めてきた。また、エネルギー産業への応用の可能性など、社会的な意義も大きい。本研究では、高温超伝導がクーパー対密度波や擬ギャップを伴ったｄ構造因子密度波という新奇な密度波状態と実空間の同一領域で共存していることに加え、このような電子状態が高温超伝導の発現に関わっている可能性が示された。これらの研究成果は高温超伝導のメカニズムの解明に繋がるものであり、このことが本研究の学術的意義と言える。

研究成果

• [国際共同研究] Univ Zurich/Paul Scherrer Inst(スイス)
• [国際共同研究] Chalmers Univ Technol/Uppsala Univ(スウェーデン)
• [国際共同研究] European Synchrotron Radiat Facil/Univ Grenoble Alpes/Univ Toulouse(フランス)
• [国際共同研究] Max Planck Inst Solid State Res/Karlsruher Inst Technol/Inst Kristallog(ドイツ)
• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Jozef Stefan Inst(スロベニア)
• [国際共同研究] Univ Grenoble Alpes(フランス)
• [国際共同研究] Univ Sherbrooke/Canadian Inst Adv Res(カナダ)
• [国際共同研究] Brookhaven Natl Lab/Argonne Natl Lab/SLAC Natl Accelerator Lab, Stanford Univ(米国)
• [国際共同研究] Univ Zurich/Paul Scherrer Inst(スイス)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Paul Scherrer Inst/Univ Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Brookhaven Natl Lab/Oak Ridge Natl Lab/Florida State Univ(米国)
• [国際共同研究] University College London/Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究] Univ Grenoble Alpes/European Synchrotron Radiat Facil(フランス)
• [国際共同研究] Chinese Acad Sci/ShanghaiTech Univ/Univ Chinese Acad Sci(中国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] University at Zurich/Paul Scherrer Institute/EPFL(スイス)
• [国際共同研究] Fudan University(中国)
• [国際共同研究] Uppsala University/Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] European Synchrotron Radiation Facility(フランス)
• [国際共同研究] Technical University of Denmark(デンマーク)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] Fate of charge order in overdoped La-based cuprates (2023)
  • 著者名/発表者名: von Arx K.、Wang Qisi、Mustafi S.、Mazzone D. G.、Horio M.、Mukkattukavil D. John、Pomjakushina E.、Pyon S.、Takayama T.、Takagi H.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Brookes N. B.、Betto D.、Zhang W.、Asmara T. C.、Tseng Y.、Schmitt T.、Sassa Y.、Chang J.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 8 号: 1 ページ: 7-7
  • DOI: 10.1038/s41535-023-00539-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical vortex induced spatio-temporally modulated superconductivity in a high-Tc cuprate (2023)
  • 著者名/発表者名: Toda Yasunori、Tsuchiya Satoshi、Yamane Keisaku、Morita Ryuji、Oda Migaku、Kurosawa Tohru、Mertelj Tomaz、Mihailovic Dragan
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 31 号: 11 ページ: 17537-17537
  • DOI: 10.1364/oe.487041
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-domain stripe order in a high-temperature superconductor (2022)
  • 著者名/発表者名: Simutis Gediminas、Kuspert Julia、Wang Qisi、Choi Jaewon、Bucher Damian、Boehm Martin、Bourdarot Frederic、Bertelsen Mads、Wang Chennan N、Kurosawa Tohru、Momono Naoki、Oda Migaku、M?nsson Martin、Sassa Yasmine、Janoschek Marc、Christensen Niels B.、Chang Johan、Mazzone Daniel G.
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 5 号: 1 ページ: 296-296
  • DOI: 10.1038/s42005-022-01061-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pseudogap suppression by competition with superconductivity in La-based cuprates (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuspert J.、Cohn Wagner R.、Lin C.、von Arx K.、Wang Q.、Kramer K.、Pudelko W. R.、Plumb N. C.、Matt C. E.、Fatuzzo C. G.、Sutter D.、Sassa Y.、Yan J.-Q.、Zhou J.-S.、Goodenough J. B.、Pyon S.、Takayama T.、Takagi H.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Hoesch M.、Cacho C.、Kim T. K.、Horio M.、Chang J.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 号: 4 ページ: 043015-9
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.043015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Competition between spin ordering and superconductivity near the pseudogap boundary in La2-xSrxCuO4: Insights from NMR (2022)
  • 著者名/発表者名: Vinograd I.、Zhou R.、Mayaffre H.、Kramer S.、Ramakrishna S. K.、Reyes A. P.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Komiya S.、Ono S.、Horio M.、Chang J.、Julien M.-H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 5 ページ: 054522-054522
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.054522
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for a Square-Square Vortex Lattice Transition in a High-Tc Cuprate Superconductor (2022)
  • 著者名/発表者名: Campbell D.J.、Frachet M.、Benhabib S.、Gilmutdinov I.、Proust C.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Horio M.、Kramer K.、Chang J.、Ichioka M.、LeBoeuf D.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 号: 6 ページ: 067001-067001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.067001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal symmetry of stripe-ordered La1.88Sr0.12CuO4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Frison R.、Kuspert J.、Wang Qisi、Ivashko O.、Zimmermann M. v.、Meven M.、Bucher D.、Larsen J.、Niedermayer Ch.、Janoschek M.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Christensen N. B.、Chang J.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 22 ページ: 224113-224113
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.224113
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unveiling Unequivocal Charge Stripe Order in a Prototypical Cuprate Superconductor (2022)
  • 著者名/発表者名: Choi J.、Wang Q.、Joehr S.、Christensen N. B.、Kuspert J.、Bucher D.、Biscette D.、Fischer M. H.、Hucker M.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Ivashko O.、Zimmermann M. v.、Janoschek M.、Chang J.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 号: 20 ページ: 207002-207002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.207002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Uniaxial pressure induced stripe order rotation in La1.88Sr0.12CuO4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Qisi、von Arx K.、Mazzone D. G.、Mustafi S.、Horio M.、K?spert J.、Choi J.、Bucher D.、Wo H.、Zhao J.、Zhang W.、Asmara T. C.、Sassa Y.、M?nsson M.、Christensen N. B.、Janoschek M.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Fischer M. H.、Schmitt T.、Chang J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 1795-1795
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29465-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast transient reflectivity measurements of optimally doped Bi2+xSr2-xCaCu2O8+delta with disorder (2021)
  • 著者名/発表者名: Toda Y.、Tsuchiya S.、Oda M.、Kurosawa T.、Katsumata S.、Naseska M.、Mertelj T.、Mihailovic D.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 9 ページ: 094507-094507
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.094507
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Normal state specific heat in the cuprate superconductors La2-xSrxCuO4 and Bi2+ySr2-x-yLaxCuO6+delta near the critical point of the pseudogap phase (2021)
  • 著者名/発表者名: Girod C.、LeBoeuf D.、Demuer A.、Seyfarth G.、Imajo S.、Kindo K.、Kohama Y.、Lizaire M.、Legros A.、Gourgout A.、Takagi H.、Kurosawa T.、Oda M.、Momono N.、Chang J.、Ono S.、Zheng G.-q.、Marcenat C.、Taillefer L.、Klein T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 21 ページ: 214506-214506
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.214506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Properties of S = 1/2 Distorted Kagome Antiferromagnet CdCu3(OH)6Cl2 with Low-Symmetry Orbital Arrangement (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hiroyuki K.、Noguchi Naoya、Ishii Yuto、Oda Migaku、Chen Jie、Yamaura Kazunari、Yamashita Satoshi、Nakazawa Yasuhiro、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 4 ページ: 044714-044714
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.044714
  • NAID: 40022540074
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field-induced successive phase transitions in the J1?J2 buckled honeycomb antiferromagnet Cs3Fe2Cl9 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishii Y.、Narumi Y.、Matsushita Y.、Oda M.、Kida T.、Hagiwara M.、Yoshida H. K.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 10 ページ: 104433-104433
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.104433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge density waves in cuprate superconductors beyond the critical doping (2021)
  • 著者名/発表者名: Miao H.、Fabbris G.、Koch R. J.、Mazzone D. G.、Nelson C. S.、Acevedo-Esteves R.、Gu G. D.、Li Y.、Yilimaz T.、Kaznatcheev K.、Vescovo E.、Oda M.、Kurosawa T.、Momono N.、Assefa T.、Robinson I. K.、Bozin E. S.、Tranquada J. M.、Johnson P. D.、Dean M. P. M.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 6 号: 1 ページ: 31-31
  • DOI: 10.1038/s41535-021-00327-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Coexistence of checkerboard and quasiparticle interference modulations in Bi2Sr2CaCu2O8+x studied by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Shusei, Oda Migaku, Momono Naoki, Yoshida Hiroyuki K., Ido Masayuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.184513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impurity Effects on Superconductivity of LaO1-xFxBi1-ySbyS2 through Specific Heat Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Ying, Takahashi Shotaro, Suda Takaya, Tamura Taro, Ohta Haruka, Kurosawa Tohru, Oda Migaku, Ido Masayuki, Momono Naoki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 9 ページ: 094708-094708
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.094708
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-pressure synthesis, crystal structure, and magnetic properties of the Shastry-Sutherland-lattice oxides BaLn2ZnO5 (Ln = Pr, Sm, Eu) (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto, Chen Jie, Yoshida Hiroyuki K., Oda Migaku, Christianson Andrew D., Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 289 ページ: 121489-121489
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2020.121489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hidden magnetism at the pseudogap critical point of a cuprate superconductor (2020)
  • 著者名/発表者名: Frachet Mehdi, Vinograd Igor, Zhou Rui, Benhabib Siham, Wu Shangfei, Mayaffre Hadrien, Krmer Steffen, Ramakrishna Sanath K., Reyes Arneil P., Debray Jrme, Kurosawa Tohru, Momono Naoki, Oda Migaku, Komiya Seiki, Ono Shimpei, Horio Masafumi, Chang Johan, Proust Cyril, LeBoeuf David, Julien Marc-Henri
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 16 号: 10 ページ: 1064-1068
  • DOI: 10.1038/s41567-020-0950-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] q=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2O: A spin-1/2 perfect kagome antiferromagnet with J1-J2-Jd; (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, H. K. Yoshida, A. Nakao, H. O. Jeschke, Y. Iqbal, K. Nakajima, S. Ohira-Kawamura, K. Munakata, Y. Inamura, N. Murai, M. Ishikado, R. Kumai, T. Okada, M. Oda, K. Kakurai, and M. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 22 ページ: 220408-220408
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.220408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly Correlated Charge Density Wave in La2-xSrxCuO4 Evidenced by Doping-Dependent Phonon Anomaly (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin J. Q., Miao H., Mazzone D. G., Gu G. D., Nag A., Walters A. C., Garca-Fernndez M., Marbour A., Pelliciari J., Jarrige I., Oda M., Kurosawa K., Momono N., Zhou Ke-Jin, Bisogni V., Liu X., Dean M. P. M.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.207005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Temperature Charge-Stripe Correlations in La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Qisi et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 18 ページ: 187002-187002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.187002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal-transport studies of kagome antiferromagnets (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Yamashita, M. Akazawa, M. Shimozawa, T. Shibauchi, Y. Matsuda, H. Ishikawa, T. Yajima, Z. Hiroi, M. Oda, H. Yoshida, H.-Y. Lee, J. H. Han and N. Kawashima
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 32 号: 7 ページ: 074001-074001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab50e9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Temperature Charge-Stripe Correlations in La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Q. Wang, M. Horio, K. von Arx, Y. Shen, D. Mukkattukavil, Y. Sassa, O. Ivashko, C. E. Matt, S. Pyon, T. Takayama, H. Takagi, T. Kurosawa, N. Momono, M. Oda, T. Adachi, S. M. Haidar, Y. Koike, Y. Tseng, W. Zhang, J. Zhao, K. Kummer
  • 雑誌名: Physical Review Letter 巻: －
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous Transport Properties in BiS2-based Superconductors Ln1-xFxBiS2 (Ln = Nd, La, Sm) (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki Sho、Kawai Yoshiki、Takahashi Shotaro、Suda Takaya、Wang Ying、Koshino Yasunori、Ogura Fumiya、Shibayama Yoshiyuki、Kurosawa Tohru、Oda Migaku、Ido Masayuki、Momono Naoki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 4 ページ: 041005-041005
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.041005
  • 査読あり
• [学会発表] 少量の過剰酸素が添加されたLa系銅酸化物の電気伝導と磁気秩序の関わり (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮腰宏太, 城剛希, 岩松柾希, 衣川裕也, 水田崇聖, 井原慶彦, 吉田紘行, 戸田泰則, 黒澤徹, 桃野直樹, 小田研
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 少量の過剰酸素が添加された La 系銅酸化物の磁場中における 超伝導および超伝導揺らぎ (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩松柾希, 宮腰宏太, 城剛希, 衣川裕也, 水田崇聖, 井原慶彦, 吉田紘行, 戸田泰則, 黒澤徹, 桃野直樹, 小田研
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Effects of magnetic order on electronic conduction in high-Tc cuprate La2CuO4+d (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Miyakoshi, M. Iwamatsu, K. Tachi, Y. Kinugawa, S. Mizuta, Y. Ihara, H. Yoshida, Y. Toda, T. Kurosawa, N. Momono, and M. Oda
  • 学会等名: International workshop on Microscopic Properties of Quantum Materials
  • 国際学会
• [学会発表] La-NQR測定による過剰酸素La2CuO4+yにおいて実現する超伝導―反強磁性共存状態の微視的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦, 衣川裕也, 小田研
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体におけるチェッカーボード変調と準粒子干渉との実空間相関 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小田 研, 水田 崇聖, 黒澤 徹, 吉田 紘行, 伊土 政幸, 桃野 直樹, 戸田 泰則
  • 学会等名: つくば-柏-本郷 超伝導かけはしプロジェクト・ワークショップ
• [学会発表] STM/STSからみたBi2212の電子系変調構造とエネルギーギャップ (2020)
  • 著者名/発表者名: 水田 崇聖, 黒澤 徹, 吉田 紘行, 小田 研, 伊土 政幸, 桃野 直樹
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] Coexistence of electronic superstructures in high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8+x studied by STM/STS (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Mizuta, T. Kurosawa, N. Momono, H. Yoshida, M. Oda and M. Ido
  • 学会等名: SNS (spectroscopies in Novel Superconductors) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] STM/STS Study on Coexistence of Electronic Superstructures in Cuprate Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Mizuta, T. Kurosawa, N. Momono, H. Yoshida, M. Oda and M. Ido
  • 学会等名: 5th ISCPMS (International Symposium on Current Progress in Mathematics and Sciences)
  • 国際学会
• [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体Bi2212の超伝導ギャップと一次元超格子との相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小田 研, 水田 崇聖, 黒澤 徹, 吉田 紘行, 伊土 政幸, 桃野 直樹, 戸田 泰則
  • 学会等名: つくば-柏-本郷 超伝導かけはしプロジェクト・ワークショップ
• [学会発表] STM/STS imaging of electronic superstructures in high-Tc cuprate Bi2212 (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Oda, S. Mizuta, T. Kurosawa, H. Yoshida, M. Ido, N. Momono and Y. Toda
  • 学会等名: Superstripes 2019 International Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STM imaging of electronic superstructures in high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8+d (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Oda, S. Mizuta, T. Kurosawa, H. Yoshida, M. Ido, N. Momono and Y. Toda
  • 学会等名: ECSN2019 International Conference
  • 国際学会 / 招待講演