共鳴非弾性軟X線散乱による銅酸化物高温超伝導体の電荷ゆらぎ超伝導機構の研究

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03741
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 藤森 淳 早稲田大学, 理工学術院, 客員教授 (10209108)
• 研究分担者: 溝川 貴司 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90251397)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 高温超伝導 / 非弾性X線散乱 / 角度分解光電子分光

研究実績の概要

前年度に引き続き、プロテクトアニールした電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体Pr1.3-xLa0.7CexCuO4（PLCCO）（組成x=0, 0.1）単結晶試料の酸素K吸収端における軟X線非弾性散乱（RIXS）実験を行い、電荷秩序によると思われる強い弾性散乱ピークを見出した。現在、その発現機構について検討を進めている。
Bi2Sr2CaCu2O8+d（Bi2212）の酸素K端および銅L端でRIXS測定を行い、超伝導点移転上下でのスペクトルの巨大な変化を見出した。この変化は、電荷揺らぎ機構（エキシトン機構）に基づいた超伝導理論が予測するもので、超伝導が消えた高温で開いている擬ギャップの効果が超伝導の発現とともに消えることを観測したと解釈できる。この結果により、本研究の当初目的であった電荷揺らぎ超伝導機構の解明に大きく近づいたと考えている。
同じくBi2212試料のネマティック状態をARPESで調べ、RIXSで明らかにされる電荷秩序・電荷揺らぎとネマティック状態の関連を検討している。
また、電子ドープ型鉄系高温超伝導体PrFeAsOのARPES測定を行い、バルクとは逆にホールがドープされた表面電子状態の超伝導ギャップと擬ギャップを明らかにした。
超伝導体以外の量子物質として、スピンと軌道がエンタングルした基底状態とヤン-テラー変形した基底状態が競合しているとされてきたスピネル型CuAl2O4を銅 L端RIXSで調べ、ヤン-テラー変形を支持する結果を得た。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

今年度予定していた台湾での放射光リモート・ビームタイム２回のうち１回が学生の体調不良によりキャンセルとなったため、PLCCOの母物質と考えられるｘ＝０ PLCCO試料のRIXS測定ができなかった。同じ理由により、PLCCOのRIXSのデータ解析と論文の執筆が遅れている。参加予定であった国際学会が新型コロナのため延期となり、成果発表も遅れている。
一方、LSCOのRIXS論文は、第2報（量子臨界的電荷揺らぎの観測）が受理・掲載され、第1報（音響プラズモンの観測）も間もなく受理される見通しである。さらに、当初計画になかった銅酸化物超伝導体Bi2212にRIXS測定を拡張したところ、「研究実績の概要」に記したように大きな進展があった。同じくBi2212試料のネマティック状態をARPESで調べた論文が受理された。

今後の研究の推進方策

PLCCOに関して蓄積したRIXSデータを国際会議で発表し、論文を出版する。
LSCOにおける量子臨界的電荷揺らぎのRIXS研究を継続し、さらに量子臨界点に近い組成の試料を調べる。
今後の最重点課題はBi2212のRIXSで、電荷揺らぎ（エキシトン）超伝導機構、擬ギャップ形成機構の解明を目指す。具体的には、RIXSスペクトルの温度依存性、入射X線エネルギー依存性、散乱角（運動量移行量）依存性、ホールドープ量依存性を系統的に調べ、並行して進んでいるモデル計算、第一原理計算との比較を行う。擬ギャップの形成機構に関しては、同じBi2212試料で観測されているネマティック状態との関連も常に念頭に進める。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルスの感染拡大により参加予定であった国際学会が延期となり、放射光実験がキャンセルされたため。次年度は国際学会出席、実験参加、解析ソフトの購入に充てる。

研究成果

• [国際共同研究] 国家同歩輻射研究中心(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 国家同歩輻射研究中心
• [国際共同研究] Institute of Metal Physics(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Institute of Metal Physics
• [雑誌論文] Magnetic anisotropy of the van der Waals ferromagnet Cr2Ge2Te6 studied by angular-dependent xray magnetic circular dichroism (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki M.、Gao B.、Shibata G.、Sakamoto S.、Nonaka Y.、Ikeda K.、Chi Z.、Wan Y.-X.、Takeda T.、Takeda Y.、Koide T.、Tanaka A.、Kobayashi M.、Cheong S.-W.、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 013139-1～7
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.013139
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Selective observation of surface and bulk bands in polar WTe2 by laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Wan Yuxuan、Wang Lihai、Kuroda Kenta、Zhang Peng、Koshiishi Keisuke、Suzuki Masahiro、Kim Jaewook、Noguchi Ryo、Bareille Cedric、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Shin Shik、Cheong Sang-Wook、Fujimori Atsushi、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 085421-1～7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.085421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Resonant inelastic X-ray scattering as a probe of Jeff=1/2 state in 3d transition-metal oxide (2022)
  • 著者名/発表者名: Huang H. Y.、Singh A.、Wu C. I.、Xie J. D.、Okamoto J.、Belik A. A.、Kurmaev E.、Fujimori A.、Chen C. T.、Streltsov S. V.、Huang D. J.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 7 ページ: 33-1～6
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00430-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fermi Surface Geometry and Inhomogeneous Electronic States in Pr_1.3-<i>_x</i>La_0.7Ce<i>_x</i>CuO₄ (<i>x</i> = 0.05) with Small Superconducting Volume Fraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuzawa Yu、Morita Tomohiro、Arita Masashi、Giampietri Alessio、Kandyba Viktor、Barinov Alexey、Takahashi Akira、Nagakubo Yusuke、Adachi Tadashi、Koike Yoji、Fujimori Atsushi、Saini Naurang L.、Mizokawa Takashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 054704～054704
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.054704
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Realization of Electron Antidoping by Modulating the Breathing Distortion in BaBiO₃ (2021)
  • 著者名/発表者名: Cao Hui、Guo Hongli、Shao Yu-Cheng、Liu Qixin、Feng Xuefei、Lu Qinwen、Wang Zhongping、Zhao Aidi、Fujimori Atsushi、Chuang Yi-De、Zhou Hua、Zhai Xiaofang
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 ページ: 3981～3988
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00750
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large Orbital Magnetic Moment and Strong Perpendicular Magnetic Anisotropy in Heavily Intercalated Fe_<i>x</i>TiS₂ (2021)
  • 著者名/発表者名: Shibata Goro、Won Choongjae、Kim Jaewook、Nonaka Yosuke、Ikeda Keisuke、Wan Yuxuan、Suzuki Masahiro、Koide Tsuneharu、Tanaka Arata、Cheong Sang-Wook、Fujimori Atsushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 12929～12936
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c02345
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evolution of valence- and spin-specific local distortions in La2－xSrxCoO4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto J.、Chainani A.、Chen Z. Y.、Huang H. Y.、Singh A.、Sasagawa T.、Khomskii D. I.、Fujimori A.、Chen C. T.、Huang D. J.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 054417-1～7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.054417
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nematicity in a cuprate superconductor revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy under uniaxial strain (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakata S.、Horio M.、Koshiishi K.、Hagiwara K.、Lin C.、Suzuki M.、Ideta S.、Tanaka K.、Song D.、Yoshida Y.、Eisaki H.、Fujimori A.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 6 ページ: 86-1～6
  • DOI: 10.1038/s41535-021-00390-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reduced magnetocrystalline anisotropy of CoFe₂O₄ thin films studied by angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism (2021)
  • 著者名/発表者名: Nonaka Yosuke、Wakabayashi Yuki K.、Shibata Goro、Sakamoto Shoya、Ikeda Keisuke、Chi Zhendong、Wan Yuxuan、Suzuki Masahiro、Koide Tsuneharu、Tanaka Masaaki、Nakane Ryosho、Fujimori Atsushi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 085317～085317
  • DOI: 10.1063/5.0057576
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hidden self-energies as origin of cuprate superconductivity revealed by machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaji Youhei、Yoshida Teppei、Fujimori Atsushi、Imada Masatoshi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043099-1～37
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043099
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hybridization of Bogoliubov quasiparticles between adjacent CuO2 layers in the triple-layer cuprate Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Ideta S.、Johnston S.、Yoshida T.、Tanaka K.、Mori M.、Anzai H.、Ino A.、Arita M.、Namatame H.、Taniguchi M.、Ishida S.、Takashima K.、Kojima K.?M.、Devereaux T.?P.、Uchida S.、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 ページ: 217004-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.217004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum Fluctuations of Charge Order Induce Phonon Softening in a Superconducting Cuprate (2021)
  • 著者名/発表者名: Huang H. Y.、Singh A.、Mou C. Y.、Johnston S.、Kemper A. F.、van den Brink J.、Chen P. J.、Lee T. K.、Okamoto J.、Chu Y. Y.、Li J. H.、Komiya S.、Komarek A. C.、Fujimori A.、Chen C. T.、Huang D. J.
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 11 ページ: 041038-1～9
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041038
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superconducting gap and pseudogap in the surface states of the iron-based superconductor PrFeAsO1-y studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara K.、Ishikado M.、Horio M.、Koshiishi K.、Nakata S.、Ideta S.、Tanaka K.、Horiba K.、Ono K.、Kumigashira H.、Yoshida T.、Ishida S.、Eisaki H.、Shamoto S.、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043151-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043151
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 強い垂直磁気異方性を示す層状磁 性体FexTaS2 のX 線磁気円二色性: FexTiS2との比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 芝田悟朗、C. Won、J. Kim、野中洋亮、池田啓祐、万 宇軒、鈴木雅弘、小出常晴、田中新、S.-W. Cheong、 齋藤智彦、藤森
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Origin of perpendicular magnetic anisotropy in 2D materials studied by angle-dependent XMCD (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fujimori
  • 学会等名: Interdisciplinary Topics in Advanced Materials (ITAM2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Open issues in high-temperature superconducting cuprates and advanced spectroscopic studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fujimori
  • 学会等名: Global Summit on Condensed Matter Physics (CONMAT2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hybridization of the electronic structure in triplelayer high-Tc cuprate Bi2223 observed by ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ideta, S. Johnston, T. Yoshida, K. Tanaka, M.Mori, H. Anzai, A. Ino, M. Arita, H. Namatame,M. Taniguchi, S. Ishida, K. Takashima, K. M. Kojima,T. P. Devereaux, S. Uchida, and A. Fujimori
  • 学会等名: 26th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] 最適ドープ Bi2Sr2CaCu2O8+δ の正常・異常自己エネルギー解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇陀愼太郎、大槻太毅、山脇一真、有田将司、生 天目博文、出田真一郎、田中清尚、笹川崇男、藤 森淳、組頭広志、小野寛太、吉田鉄平
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [備考] Fujimori Group
  • URL: https://sites.google.com/view/fujimorigroup/home?authuser=0
• [備考] TPS Beamlines - 41A Soft X-ray Scattering
  • URL: http://tpsbl.nsrrc.org.tw/bd_page.aspx?lang=en&port=41A&pid=1044