超高分解能光電子分光装置の開発と高温超伝導体準粒子の研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14102006
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高橋 隆 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (00142919)
• 研究分担者: 松井 浩明 東北大学, 大学院・理学研究科, 日本学術振興会特別研究員(DC1) ; 相馬 清吾 東北大学, 大学院・理学研究科, 日本学術振興会特別研究員(DC1) ; 佐藤 宇史 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (10361065)
• キーワード: 高温超電導体 / 角度分解光電子分光 / 準粒子 / 超伝導ギャップ / フェルミ面

研究概要

本年度は、「超高分解能光電子分光装置」の改良・調整を中心として研究を遂行した。装置の改良・調整に関して以下の具体的作業を行った。
1.測定温度の低温下を図るため、液体Heクライオスタットと熱シールドを併用した極低温システムを構築し、試料上において5Kの極低温を達成した。
2.エネルギー分解能を向上するために、地磁気の遮蔽、電源系の改良などを行うことにより、固体試料の測定で、最高エネルギー分解能1.7meVを達成した。
3.測定時における試料表面劣化を軽減するために、励起光源系の差動排気系の改良を行い、最高到達真空度2×10^<-11>Torrを達成した。
上記の装置の改良・調整と並行して、高温超伝導体とその関連物質における準粒子と超伝導発現機構に関する角度分解光電子分光(ARPES)研究を行い、以下の新しい知見を得た。
4.ホール型高温超伝導体Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10+δ>において、ボゴリューボフ準粒子バンドの分散の完全決定に成功した。得られたバンド分散とコヒーレンス因子がBCS理論と定量的に一致することから、高温超伝導体においてもBCS理論の基本的な枠組みが適応できる事を見出した。
5.Bi系高温超伝導体におけるバンド分散の「kink」構造について、精密なARPES測定を行った。その結果、多層系超伝導体における超伝導状態のkink構造は、電子と磁気共鳴モードとの強い結合で説明できる一方で、単層系超伝導体と常伝導状態におけるkink構造は、それとは別の起源を持つ事を見出した。
6.新規高温超伝導体MgB_2の超高分解能ARPESを行い、シグマ、パイ、表面バンドを分離し、各バンドにおける超伝導ギャップを観測する事に世界で初めて成功した。数値的シミュレーションの結果、シグマ、パイ、表面バンドのギャップの大きさをそれぞれ6.5,1.5,6.0meVと見積もった。以上の事実から、MgB_2の超伝導機構が2バンドモデルによって説明されることを見出した。

研究成果

• [文献書誌] S.Souma: "The origin of multiple superconducting gaps in MgB_2"Nature. 423. 65-67 (2003)
• [文献書誌] T.Sato: "Observation of band renormalization effects in hole-doped high-T_c superconductors"Physical Review Letters. 91. 157003-1-157003-4 (2003)
• [文献書誌] H.Matsui: "BCS-like Bogoliubov quasiparticles in high-T_c superconductors observed by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physical Review Letters. 90. 217002-1-217002-4 (2003)
• [文献書誌] S.Souma: "Electronic band structure and Fermi surface of CaB_6 studied by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physical Review Letters. 90. 027202-1-027202-4 (2003)
• [文献書誌] K.Terashima: "Charge-density-wave transition of 1T-VSe_2 studied by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physical Review B. 68. 155108-1-155108-8 (2003)
• [文献書誌] H.Matsui: "Systematics of electronic structure and interactions in Bi_2Sr_2Ca_<n-1>Cu_nO_<2n+4>(n=1-3) by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physical Review B. 67. 060501(R)-1-060501(R)-4 (2003)
• [文献書誌] H.Matsui: "Low energy excitation in Bi_2Sr_2Ca_<n-1>Cu_nO_<2n+4>(n=1-3) studied by high-resolution ARPES"International Journal of Modern Physics B. 17. 3554-3558 (2003)
• [文献書誌] M.Nakayama: "Ultrahigh-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy of La-and Ce-monochalcogenides"Physical Review B. (in press). (2004)
• [文献書誌] T.Sato: "Magnetic interaction in hole-doped high-T_c superconductors observed by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physica C. (in press). (2004)
• [文献書誌] T.Takahashi: "Spectral evidence for Bogoliubov quasiparticle in triple-layered high-T_c superconductor Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_<10>"Physica C. (in press). (2004)
• [文献書誌] T.Sato: "Fermi surface, superconducting gap, and many-body effects in Bi_2Sr_2Ca_<n-1>Cu_nO_<2n+4>(n=1-3)"Physica C. (in press). (2004)
• [文献書誌] S.Souma: "Band structure and Fermi surface of CeB_6 studied by angle-resolved photoemission spectroscopy"Physica B. (in press). (2004)
• [文献書誌] Y.Iida: "High-resolution angle-resolved photoemission study of LaRh_3B_2"Physica B. (in press). (2004)
• [文献書誌] K.Terashima: "High-resolution angle-resolved photoemission study of impurity-substituted Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>"Physica B. (in press). (2004)