実空間と運動量空間の双方から見た銅酸化物高温超伝導と擬ギャップに対する不純物効果

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05155
• 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: 黒澤 徹 北海道大学, 理学研究院, 助教 (10615420) ; 吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 助教 (30566758)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 高温超伝導 / 銅酸化物 / 強相関電子系 / 不純物効果 / 準粒子束縛状態 / 超格子構造 / エネルギーギャップ

研究実績の概要

本研究では、ビスマス系銅酸化物高温超伝導体の純粋な系（Bi2212）とCuサイトに少量の磁性不純物Niを添加した系（Ni-Bi2212）でSTM/STSとARPESを行い、その電子状態を調べることにより、超伝導に対する異常な不純物効果や擬ギャップ等のギャップと関係する超格子の性質に関する知見を得る。今年度は以下に記す成果を得た。
１．Bi2212の電子系の大きな特徴の一つは、そのフェルミ面が（超伝導転移に実効的な）ｄ波タイプの超伝導ギャップが開くフェルミアーク（FA）と擬ギャップやペアリング・ギャップが開くアンタイノード（AN）領域に二分されることである。STM/STS実験では、これらの領域の電子状態を反映する超格子間の位相関係を調べることにより、両者間には何らかの相互作用があることが明らかとなった。このことは、FAで起こる超伝導にAN領域の特異な電子状態が関わっていることを示唆するものと考えられる。
２．Bi2212のSTSスペクトルの空間依存性を調べた結果、FAのｄ波超伝導ギャップがCuスピン間の反強磁性結合エネルギーJの空間変動を齎す一次元超格子と同じ周期で変動することが明らかとなった。また、STSスペクトルにおいて超伝導ギャップ端（Δ）より少し高いエネルギーに現れるdip構造は反強磁性共鳴モードに起因すると考えられているが、その特性エネルギーΩもJの空間変動と相関する。今年度の研究では、超伝導ギャップの空間変動はJと同位相であるのに対して、ΩはJと逆相関の関係にあることも明らかとなった。
３．Ni-Bi2212のARPES実験ではΔとΩに対するNi不純物効果は確認されていないが、STM/STS実験では、Ni不純物の周りでΔの減少と反強磁性共鳴モード・エネルギーΩの増大が同時に観測され、Cuスピン間の反強磁性結合JがNi不純物の周囲で局所的に弱められることが明らかとなった。

研究成果

• [国際共同研究] ヨセフ・ステファン研究所(スロベニア)
  • 国名: スロベニア
  • 外国機関名: ヨセフ・ステファン研究所
• [国際共同研究] チューリッヒ大学/ポールシェラー研究所/ローザンヌ・スイス連邦工科大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: チューリッヒ大学/ポールシェラー研究所/ローザンヌ・スイス連邦工科大学
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] ウプサラ大学/KTH王立研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: ウプサラ大学/KTH王立研究所
• [国際共同研究] ブリストル大学/ランカスター大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ブリストル大学/ランカスター大学
• [国際共同研究] イスラエル工科大学(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: イスラエル工科大学
• [雑誌論文] STM/STS study on electronic superstructures in the superconducting state of high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizuta S、Kurosawa T、Takeyama K、Momono N、Ishii Y、Yoshida H、Oda M、Ido M
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 969 ページ: 012071～012071
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012071
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct observation of orbital hybridisation in a cuprate superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: Matt C. E.、Sutter D.、Cook A. M.、Sassa Y.、Mnsson M.、Tjernberg O.、Das L.、Horio M.、Destraz D.、Fatuzzo C. G.、Hauser K.、Shi M.、Kobayashi M.、Strocov V. N.、Schmitt T.、Dudin P.、Hoesch M.、Pyon S.、Takayama T.、Takagi H.、Lipscombe O. J.、Hayden S. M.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Neupert T.、Chang J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03266-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonequilibrium Quasiparticle Dynamics in Bi-Based Superconductors Measured by Modulation Photoexcitation Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Toda Y.、Mochizuki H.、Tsuchiya S.、Kurosawa T.、Oda M.、Mertelj T.、Mihailovic D.
  • 雑誌名: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 巻: 31 ページ: 753～756
  • DOI: 10.1007/s10948-017-4325-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of superconducting order parameter through ultrafast normal-to-superconducting phase transition in Bi2Sr2CaCu2O8 from multipulse polarization-resolved transient optical reflectivity (2017)
  • 著者名/発表者名: Madan I.、Baranov V. V.、Toda Y.、Oda M.、Kurosawa T.、Kabanov V. V.、Mertelj T.、Mihailovic D.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 184522-1～9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.184522
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gapless magnetic excitations in the kagome antiferromagnet Ca-kapellasite probed by Cl35 NMR spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Ihara Y.、Sasaki T.、Noguchi N.、Ishii Y.、Oda M.、Yoshida H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 180409-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.180409
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1/8 Anomaly Induced by the Substitution of Dy in Underdoped Bi2Sr2Ca1-xDyxCu2O8 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawamura K.、Kobayashi Y.、Kobashi C.、Baar S.、Kurosawa T.、Oda M.、Ido M.、Momono N.
  • 雑誌名: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 巻: 30 ページ: 2037～2042
  • DOI: 10.1007/s10948-017-4010-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Damped spin excitations in a doped cuprate superconductor with orbital hybridization (2017)
  • 著者名/発表者名: Ivashko O.、Shaik N. E.、Lu X.、Fatuzzo C. G.、Dantz M.、Freeman P. G.、McNally D. E.、Destraz D.、Christensen N. B.、Kurosawa T.、Momono N.、Oda M.、Matt C. E.、Monney C.、Rnnow H. M.、Schmitt T.、Chang J.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 214508-1～8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.214508
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rotation symmetry breaking in La2-xSrxCuO4 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Razzoli E.、Matt C. E.、Sassa Y.、Mnsson M.、Tjernberg O.、Drachuck G.、Monomo M.、Oda M.、Kurosawa T.、Huang Y.、Plumb N. C.、Radovic M.、Keren A.、Patthey L.、Mesot J.、Shi M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 224504-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.224504
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual Magnetic State with Dual Magnetic Excitations in the Single Crystal of S = 1/2 Kagome Lattice Antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hiroyuki、Noguchi Naoya、Matsushita Yoshitaka、Ishii Yuto、Ihara Yoshihiko、Oda Migaku、Okabe Hirotaka、Yamashita Satoshi、Nakazawa Yasuhiro、Takata Atsushi、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 033704～033704
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.033704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural study of quasi-one-dimensional vanadium pyroxene LiVSi2O6 single crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto、Matsushita Yoshitaka、Oda Migaku、Yoshida Hiroyuki
  • 雑誌名: JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY 巻: 246 ページ: 125～129
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2016.11.012
  • 査読あり
• [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体Bi2212の エネルギーギャップと関係する超格子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小田 研
  • 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 から見た Bi2Sr2CaCu2O8 における電子系の変調構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水田崇聖, 小田研, 黒澤徹, 竹山幸作, 桃野直樹 , 吉田紘行, 伊土政幸
  • 学会等名: 日本物理学会 第 73 回年次大会（2018 年）
• [学会発表] STM/STS からみた 1T-TaS2の電子状態 II (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒澤徹, 高品博光, 近藤広康, 市村晃一, 桃野直樹, 吉田紘行, 小田研, 伊土政幸, 丹田聡
  • 学会等名: 日本物理学会 第 73 回年次大会（2018 年）
• [学会発表] STM/STS studies on the spatial dependence of energy gap in high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8 (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Oda
  • 学会等名: Superstripes Conference on Quantum physics in Complex Matter: Superconductivity, Magnetism and Ferroelectricity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STM/STS studies on energy gaps & electronic superstructuresin high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8 (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Oda
  • 学会等名: EMRS 2017 fall meeting (Manipulation of functional properties of the layered materials and their characterization)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STM/STS studies on electronic superstructures in the superconducting state of high-Tc cuprate Bi2Sr2CaCu2O8 (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Mizuta, T. Kurosawa, K. Takeyama, N. Momono, H. Yoshida, M. Oda, M. Ido
  • 学会等名: 28th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal structure and magnetic properties of new vanadium oxide K2Li2V6O14 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishii, Y. Matsushita, M. Oda, and H. Yoshida
  • 学会等名: International Conference IUMRS-ICAM 2017, Symposium "Frontiers of the functional development of strongly correlated materials"
  • 国際学会
• [学会発表] μSR study of the S = 1/2 kagome lattice antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, H. Okabe, A. Koda, M. Hiraishi, S. Takeshita, K. Kojima, R. Kadono, and M. Oda
  • 学会等名: The 14th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • 国際学会
• [学会発表] STM/STSからみた1T-TaS2の電子状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒澤徹, 高品博光, 近藤広康, 市村晃一, 桃野直樹, 吉田紘行, 小田研, 伊土政幸, 丹田聡
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] S = 5/2 三角格子ダイマーCs3Fe2Cl9の磁気相図II (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井裕人, 松下能孝, 吉田紘行, 小田研, 萩原雅人, 益田隆嗣, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 擬カゴメ格子反強磁性体CdCu3(OH)6Cl2の1/3磁化プラトー (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行, 野口直彌, 石井裕人, 小田研, J. Chen, 山浦一成, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会