研究課題
本研究では、代表的な銅酸化物高温超伝導体の一つであるBi2212で走査トンネル顕微鏡分光（STM/STS）とポンプ・プローブ時間分解分光（PPTS）を行い、実空間と時間空間の双方から「高温超伝導体に固有の擬ギャップ（PG）現象を担う電子系と高温超伝導の発現との関係性」の解明にアプローチする。２０１９年度は不足キャリア（ホール）濃度のBi2212単結晶試料でSTM/STS実験とPPTS実験を行い、以下に記す成果を得た。１．STM/STSでは、PGにかかる電子系のチェッカーボード様変調構造が超伝導にかかる準粒子の干渉による変調構造と実空間の同じ領域において共存することが明らかとなった。また、両者の共存関係を相互相関関数の手法により調べた結果、明確な実空間相関が観測され、チェッカーボード様変調構造の起源や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上で有用な知見が得られた。２．PPTSでは、高強度ポンプパルス光の照射によりPG状態と超伝導相を局所的に破壊し、その後の両者の回復過程をプローブ光の反射応答を通して調べた。その結果、PG状態がほぼ回復した後に超伝導状態の形成が始まること、すなわち、両者の間に明確な時間相関のあることが分かった。これはPG状態が高温超伝導の発現に本質的に関わっていることの一つの証拠に成り得ると考えられる。２０２０年度以降の研究では、最適ホール濃度および過剰ホール濃度領域のBi2212試料にも研究を広げ、これらの試料で得られた結果も含めて総合的に考察し、PGを担う電子状態と超伝導の発現との関わりについて明らかにする。
2: おおむね順調に進展している
本研究の目的を達成するためのに２０１９年度は、不足ホール濃度領域のBi2212単結晶試料でSTM/STS実験とPPTS実験を行い、それぞれの実験により、PG状態を担う電子系が示す２種類の変調構造の一方（チェッカーボード様変調構造）と超伝導にかかる準粒子の干渉による変調構造との実空間相関（STM/STS）および、PG状態と超伝導状態の時間空間相関（PPTS）を調べることを計画した。前項目で記した通り、実験は計画通りに実施され、研究目的を達成する上で有用な意味のある結果が得られている。このことから、本研究は順調に進展していると考えている。
Bi2212のSTM/STSで観測される電子系変調構造には、ｄ構造因子変調構造（dFFM）、チェッカーボード様変調構造（CBM）、準粒子干渉変調構造（QPI）と呼ばれる３種類の電子系変調構造がある。その内のdFFMとCBMはPG状態を担う電子系と関係するものであるが、これらの特性エネルギーは異なる。一方、QPIには超伝導を担う電子系が関わっている。本研究のSTM/STS実験では、３種類の電子系変調構造に含まれるCu-O結合方向格子定数の４倍周期成分に着目し、これらの成分間の実空間相関を詳細に調べる。また、PPTS実験では、擬ギャップ状態と超伝導の回復・形成過程における時間空間相関を明らかにする。研究概要と進捗状況の項目で記したように、これまでの研究では、不足ホール濃度のBi2212で両実験を実施し、目的の達成に有用な成果が得られている。２０２０年度以降の研究では、最適ホール濃度および過剰ホール濃度の試料にも研究対象を広げ、STM/STSとPPTSによる同様の実験を継続して行う。また、これまでSTM/STS実験では、各種変調構造間の実空間相関を相互相関関数の手法により調べてきたが、今後は局所振幅や局所位相に関する解析も進め、よりミクロな観点から実空間相関に関する知見を得ることも目指す。これまでの研究成果に２０２０年度以降に得られる結果も加えて総合的に考察し、PGを担う電子状態と超伝導の発現との関わりについて明らかにする。
次年度使用額は、年度末に開催の米国物理学会に参加するための海外出張旅費および、名古屋大学で開催が予定されていた日本物理学会春季大会に参加するための国内出張旅費に充てることとしていた。しかし、新型コロナウイルス感染防止への対応から、米国物理学会への参加を取り止め、また、日本物理学会は現地開催が中止となったため、それらの参加旅費が未使用となった。これらの未使用分は、２０２０年度の日本物理学会に参加するための旅費および、液体ヘリウム寒剤使用料やオープンファシリティー測定装置使用料に充てる予定である。
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Physical Review Letter
巻: － ページ: －
Journal of Physics: Condensed Matter
巻: 32 ページ: 074001～074001
10.1088/1361-648X/ab50e9
Journal of the Physical Society of Japan
巻: 88 ページ: 041005～041005
10.7566/JPSJ.88.041005
