ニュース

鉄系超伝導体に見つかった新たな非磁性の電子液晶状態とその特異点

 

発表者

細井 優 (東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 大学院生)
芝内 孝禎 (東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授)

発表のポイント

◆宇宙の成り立ちを知るのにブラックホール(一種の特異点)を調べるのが役立つように、物質の電子状態の起源を解明するためにはその特異点(臨界点)を調べる事が重要である。
◆従来、鉄を含む化合物に現れる鉄系超伝導は磁気的な特異点(臨界点)と密接に関連していると考えられてきたが、今回、磁性を持たない全く新しいタイプの特異点(臨界点)を発見した。
◆発見した特異点においては電子がある一方向に揃おうとする液晶のような性質を示しており、超伝導状態を解き明かす鍵になる。

発表概要

 東京大学大学院新領域創成科学研究科の細井優大学院生、芝内孝禎教授らのグループは、京都大学大学院理学研究科の笠原成助教、松田祐司教授らと共同で、鉄系超伝導体(注1)の一種において、元素置換量を系統的に変化させた研究を行い、ある組成を境に電子状態が大きく変わる臨界点(特異点)が存在することを明らかにしました。今回発見された特異点は鉄系超伝導体においてこれまで発見されてきた磁気的な特異点とは全く異なる、磁性を持たない新しいタイプのものです。特異点の研究は、例えば宇宙の起源を解明するために一種の特異点であるブラックホールを調べるように、さまざまな物理現象の仕組みを解き明かすための有力な手法です。特に、これまで鉄系超伝導体において発見されてきた特異点はいずれも超伝導相の内部に存在しているため超伝導の発生と密接に関わっていると考えられており、超伝導の発現機構を解明する上で重要な手掛かりになると注目されています。本研究グループは鉄系超伝導体の中でも磁性が現れないという特色をもつ物質に注目することにより非磁性の新しい特異点を発見することに成功しました。さらに、この新しい特異点近傍では、本来互いに等価な方向においても電流の流れやすさが大きく異なるという異常な電子状態が実現していることを明らかにしました。これは電子がある方向に揃おうとする液晶のような性質が強まっていることを示唆しています。今後、この新しい特異点近傍の電子液晶性と超伝導の関係を明らかにすることによって、超伝導発現機構の解明の手がかりをつかむことが期待されます。
 この研究成果は、米国科学誌「米国科学アカデミー紀要(Proceeding of the National Academy of Sciences USA (PNAS) )」の2016年7月4日の週付けでEarly Editionに掲載されます。

発表内容

研究の背景と経緯
 鉄系超伝導体は通常の金属よりも電子同士の相互作用が強いため、多様な電子状態が出現する物質です。とくに臨界点と呼ばれる特異点では相互作用が強く働いており、大きな電子状態の変化が起こります(図1)。これは宇宙における一種の特異点であるブラックホールのような劇的な現象が、固体中の電子にも存在していることを意味しています。ブラックホールは宇宙の成り立ちを解明する上での重要な手がかりとなるため、ブラックホールを観測しその性質を調べる研究が進められているように、電子状態の特異点を観測することは物質の電子状態の起源解明に迫るための有力な手段となります。
 この種の電子状態における特異点は鉄系超伝導体に加えて、銅酸化物高温超伝導体(注1)などでも同様にその存在が議論されています。とくにこの特異点近傍に超伝導現象がしばしば現れるため(図1)、特異点と超伝導現象の発生における密接な関連が指摘されています。特異点の周りでは、電子同士の相互作用が非常に強い状態が実現しており、この強い相互作用が超伝導を引き起こす鍵であるとも考えられています。したがって、特異点が超伝導の発生源である可能性もあり、特異点と超伝導の関係性を明らかにすることは超伝導の発現機構を解明する上で最も重要な課題の一つです。
 これまで鉄系超伝導体において見つかってきた特異点はいずれも磁性に関連したものであり、鉄系超伝導の発現機構は磁気的な由来をもつと考えられてきました。鉄系超伝導体には磁気的な相互作用以外にも他の種類の電子間相互作用が働いていることが議論されてきましたが、磁性を伴わないタイプの新たな特異点が存在しうるかどうかは未解明なままでした。

 

研究成果の内容と意義
 磁性をともなわないタイプの新たな特異点が存在するかどうかを検証するために、本研究グループは鉄系超伝導体の中でも磁性を伴わないという特有の性質を持つFeSeに注目しました。本研究グループはピエゾ素子(注2)を用いて試料を伸び縮みさせた際の電気抵抗変化を測定することによって、この物質の電子状態を調べました。この歪み応答の結果から、温度を下げるとある温度に達するまで電流の流れやすさの方向による違いが大きくなること明らかにしました。これは電子の向きがある方向に揃った一種の液晶状態が低温において実現しており、その液晶状態に近づく前兆現象であると考えられています。さらに本研究グループはセレン原子(Se)の一部をより原子半径の小さい硫黄原子(S)に置換することによって、元素置換に対する電子の液晶状態への影響を調べました。もとの硫黄原子の置換量を増やすことによって、電子の液晶状態は抑制されていき、セレン原子のおよそ17パーセントを硫黄原子によって置換すると、電子液晶状態は完全に消失しました(図2)。またこの電子状態が劇的に変わる付近において、歪みに対する電気抵抗の応答が特異的に増大している振る舞いを明らかにしました。したがって電子液晶状態が完全に消滅しているのにもかかわらず、依然として強い液晶性を持つという異常な電子状態が実現していることを示唆しています。この異常な振る舞いは、電子液晶状態が消える点において特異点が存在しており(図2)、この特異点近傍に現れる特徴として解釈することができます。
 この結果は、鉄系超伝導体において初めて磁性をともなわない新しいタイプの特異点が存在することを示す実験的な証拠です。今回発見した非磁性の特異点近傍では、電子が液晶状態になろうとする大きな電子構造の変化が起きています。さらにこの特異点はFeSe1-xSxの超伝導相の内部に位置しており、この系における超伝導と関係していることが示唆されます。とくに磁性をともなわない特異点近傍におこる超伝導はこれまで盛んに研究されてきた磁気的な機構とは異なる起源をもつ可能性も考えられています。今後この新しいタイプの特異点と超伝導の関係を明らかにすることで、超伝導機構解明の手がかりをつかむことが期待されます。

発表雑誌

雑誌名:2016年7月4日の週付け「米国科学アカデミー紀要(Proceeding of the National Academy of Sciences USA (PNAS))」Early Edition
論文タイトル:「Nematic quantum critical point without magnetism in FeSe1-xSx superconductors」
著者:S. Hosoi, K. Matsuura, K. Ishida, Hao Wang, Y. Mizukami, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, T. Shibauchi*
DOI番号:10.1073/pnas.1605806113
アブストラクトURL:www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1605806113

問い合わせ先

東京大学新領域創成科学研究科物質系専攻
大学院生 細井 優(ほそい すぐる)
277-8561 千葉県柏市柏の葉5-1-5東大柏キャンパス
TEL/FAX: 04-7136-3775  Email: hosoi@k.u-tokyo.ac.jp
HP: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp

東京大学新領域創成科学研究科物質系専攻
教授 芝内 孝禎(しばうち たかさだ)
TEL/FAX: 04-7136-3774  Email: shibauchi@k.u-tokyo.ac.jp
HP: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp

用語解説

(注1) 鉄系超伝導体、銅酸化物超伝導体
銅の酸化物を母体とする超伝導体を銅酸化物超伝導体とよび、鉄元素を含む化合物からなる超伝導体を鉄系超伝導体と呼ぶ。これらの物質ではBCS理論と呼ばれる従来理論とは異なる発現機構を持つ超伝導が起こっていると考えられている。両者は従来理論の限界値よりも高い超伝導転移温度をもつ物質が見つかっており、応用が期待されている。
(注2) ピエゾ素子
圧電素子の一つであり物質に圧力を加えると電圧が生じる。逆に電圧を加えることで物質が変形する性質を保つ。本研究では、ピエゾ素子に与える電圧を制御することで、ピエゾ素子を伸縮させ試料に歪みを導入した。

添付資料

図 1 電子状態に現れる特異点(臨界点)の概念図

左側領域は電子が何らかの秩序形成した相を表す。元素置換や圧力を加えることでこの相を抑制することができ、☆印で示されるように秩序相が完全に消失した点を特異点(臨界点)という。特異点からさらにはなれた右側領域では通常の金属中での振る舞いと同様に電子同士は互いに自由に物質中を動き回る状態になる。特異点の周りでは、たとえば磁気的な秩序が発生/消失するなどの電子状態に大きな変化が起きており、電子同士の相互作用が強く働いている。この近傍においてしばしば超伝導が発現することが知られている。

図 2 鉄系超伝導体FeSe1-xSxにおける特異点

 図中の四角印◆は電子が液晶のように振る舞い始める温度、丸印●が超伝導を示す温度を表す。S原子の置換量を増加させると液晶状態になる温度は低下し、およそ17パーセント置換させると完全に消える。図中のカラーグラデーションは測定した電気抵抗の歪み応答の強さ(χnem)に対応しており、液晶状態が消えるあたりで特異的に増大する様子が見られる。この振る舞いは図中の矢印で示されるように非磁性の電子液晶状態における特異点(臨界点)が存在することを示唆している。