2015 Fiscal Year Annual Research Report
新規高Ｔｃ鉄系超伝導体の微小結晶・広光エネルギー角度分解光電子分光
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15J08297
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
砂川 正典 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2017-03-31
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| Keywords | 鉄系高温超伝導体 / 角度分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の鉄系超伝導体はホールフェルミ面と電子フェルミ面が共在した電子構造を持つ。高温超伝導のメカニズムとしてはホール・電子フェルミ面間のネスティングによるスピン/軌道揺らぎ超伝導機構が有力であり、電子(またはホール)フェルミ面のみを持つ電子構造は超伝導に不利であると考えられてきた。一方で鉄セレン系超伝導体AxFe2-ySe2(A=K,Rb)は高温超伝導を示すにも関わらず、角度分解光電子分光(ARPES)研究から電子フェルミ面のみを持つことが知られている。このような従来と異なる電子状態が観測されているAxFe2-ySe2の存在により、鉄系超伝導を理解する上で必要である高温超伝導を担う共通の電子状態が未解明である。しかしながらAxFe2-ySe2には鉄欠損による超伝導相と絶縁体相との相分離が起こっており、また超伝導相の領域は全体の１０%と非常に小さいため、これまでのARPES研究がAxFe2-ySe2に本質的なバルク電子構造を反映したものであるかは明らかではなかった。
AxF2-ySe2の本質的な電子状態の解明のために、新合成法により超伝導領域が増加した(約30%)KxFe2-ySe2の微小単結晶試料に対して広島大学放射光施設HiSORのBL-9Aを用いた光エネルギー・偏光可変APRES測定を行い、ブリルアンゾーンΓ点周りに存在する新しいホールバンドを世界で初めて観測した。このバンドは理論計算と対応する本質的な電子状態であることを見出した。またフェルミ準位近傍の詳細測定から新たに発見したホールバンドがフェルミ準位を横切りΓ点にホールフェルミ面を形成している可能性を示唆する結果を得た。これらの結果から、KxFe2-ySe2が鉄ヒ素系高温超伝導体と共通した電子構造を持つことを示唆し、鉄系高温超伝導を担う電子状態の特徴が「ホールフェルミ面と電子フェルミ面の共在」である可能性を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
従来の鉄系高温超伝導体とは異なったバンド構造及びフェルミ面トポロジーを持つとされているKxFe2-ySe2について、光エネルギーおよび偏光依存角度分解光電子分光実験および実験データに対する詳細な解析から、ブリルアンゾーンΓ点近傍にこれまで報告されていなかったホールバンドを観測した。この結果は、KxFe2-ySe2が他の鉄系高温超伝導体と同様の電子状態を持っていることを示唆し、KxFe2-ySe2の超伝導機構を巡る混乱した状況を解決する。加えて、鉄系超伝導体全体における超伝導機構の理解を深める上で重要な役割を担う。これらの研究結果を日本物理学会において「KxFe2-ySe2の角度分解光電子分光Ⅱ」という題名で口頭発表した。また成果をまとめた論文をJournal of the Physical Society of Japanに現在投稿中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
KxFe2-ySe2で新たに観測したホールバンドは、ホールフェルミ面を形成するバルク電子構造であり高Tc発現に重要な役割を担っていることが理論計算から予測されている。しかしながらフェルミ準位近傍で光電子強度が消失するためにフェルミ面の形成についてはまだ明らかではない(消失する原因としては電子相関や不純物散乱、マトリックスエレメント効果が考えられる)。ごく最近予備実験として行った鉄セレン系超伝導体RbxFe2-ySe2の室内光源ARPES測定において、バンドの上端がフェルミエネルギー上に位置するホールバンドを観測した。このバンドがホールフェルミ面を形成するバルク電子構造であることを実験的に明らかにすることはRbxFe2-ySe2の高Tc超伝導の理解につながり、現在まで議論の収束していない鉄セレン系超伝導体における超伝導発現メカニズムの研究に大きな指針を与える。今後の研究ではバルク敏感な低エネルギー放射光ARPESを用いてRbxFe2-ySe2におけるホールフェルミ面の直接観測及びバルク電子状態の決定を目指す。RbxFe2-ySe2の微小単結晶のバルク敏感APRES測定は７月のマシンタイムがすでに決定しているHiSOR BL-9Aで行う。また申請が採択された場合はドイツ放射光施設BESSY IIも用いた測定も行う。研究の進捗状況によって、母物質であるFeSe超伝導体の電子状態研究とLa,PコドープCaFe2As2の超伝導状態の研究も併せて行う。また研究成果をまとめた学術論文の投稿を行い、日本物理学会やアメリカ物理学会での発表を行う。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Comparative ARPES Study on Iron-Platinum-Arsenide Superconductor Ca10(Pt4As8)(Fe2-xPtxAs2)5 (x = 0.25 and 0.42)2015
Author(s)
Masanori Sunagawa, Rikiya Yoshida, Toshihiko Ishiga, Koji Tsubota, Taihei Jabuchi, Junki Sonoyama, Satomi Kakiya, Daisuke Mitsuoka, Kazutaka Kudo, Minoru Nohara, Kanta Ono, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takanori Wakita, Yuji Muraoka, and Takayoshi Yokoya
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 84
Pages: 055001-055002
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Two-dimensional electronic structure of La and P co-doped CaFe2As2 studied by ARPES2015
Author(s)
Masanori Sunagawa, Toshihiko Ishiga, Koji Tsubota, Taihei Jabuchi, Junki Sonoyama, Keita Iba, Kazutaka Kudo, Minoru Nohara, Kanta Ono, Hiroshi Kumigashira, Tomohiro Matsushita, Masashi Arita, Kenya Shimada, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Takanori Wakita, Yuji Muraoka & Takayoshi Yokoya
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Journal Title
Photon Factory Activity Report 2014 Part A "Highlights”
Volume: 32
Pages: 22-23
Open Access
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