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きよはるけいれい
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京都大学大学院理学研究科物理学第一教室固体量子物性研究室超伝導の紹介 Keyword

最近発見された超伝導体量子性 : 超の世界の法則 0 超伝導の発見年は超伝導研究の新世紀!

絶対温度 (K) 9 年オランダの H. K. Onnes が発見 ( 水銀の超伝導 4.

1 物理学会大阪支部公開シンポジウム超の物理 st, Oct. 0 アウトライン超伝導研究の新世紀石田憲二京都大学大学院理学研究科物理学第一教室固体量子物性研究室超伝導の紹介 Keyword 金属中の電子の不思議粒子 ( 電子 ) の量子性電子間の引力相互作用最近発見された超伝導体量子性 : 超の世界の法則 0 超伝導の発見年は超伝導研究の新世紀!! 超伝 ( 電 ) 導の応用巨大超伝導磁石 (MRI, リニア新幹線 ) 水銀の電気抵抗絶対温度 (K) 9 年オランダの H. K. Onnes が発見 ( 水銀の超伝導 4. ケルビン ) つくばの NIMS ( 国の研究所 ) にある NMR 用超伝導磁石 (.6T) /maglist4.html JR 式マグレブ JR 東海超電導の応用 : 超電導電力貯蔵システム SMES 電気エネルギーを磁気エネルギーに変換することでエネルギーロスを発生させずに貯蔵できる特性として大電流を瞬時に出力できるため瞬停のときに役立つ超伝導になる元素 Q どのくらいの元素が超伝導になるの?

2 超伝導になる元素加圧による酸素の金属化酸素も超伝導!? 40GPa 60GPa A 57 元素! ( 圧力下など含む ) 0GPa 固体酸素が金属光沢を持つ GPa=0kbar 万気圧 cf. 0 m 水深 ~ ~ 気圧 K. Shimizu et al. Nature (998) 物質相図固体の電気的性質小学理科 : 豆電球に明かりがつくものつかないものを調べた. 明かりがつくもの ( 例 ) くぎはさみアルミニウム箔など金属. 明かりがつかないもの ( 例 ) 下敷ノートガラスビニールなど絶縁体小学校では習わなかった内容. 微妙な明るさ ( 例 ) シャーペンの芯半導体各状態 ( 相 ) を特徴付ける物理パラメーター密度固体中を自由に動き回る電子 ( 自由電子 ) を持つもの : 金属アルミニウム ( 原子番号 ) 金属 ( アルミニウム ) の中の電子 0 個の電子原子アルミニウムは電気を流す x0-0 m 結晶 0-5 m 原子核電子雲陽子中性子つの自由電子 0-0 m オングストローム Q: このとき一円玉の中を動いている電子の速さは. アリの速さ ( mm/s). 人の歩く速さ ( m/s). ジェット機の速さ ( km/s) よりずっとずっと速い光速の /00( 秒速 000 km, マッハ 000) 一秒で日本列島縦断!! 電子はマイナスの電荷を持つ

ちなみに求め方はアルミニウム (Al) のフェルミ速度は? ( 電子密度 : n =8.07 x 0 8 (m - ) ) 4πk N =, π L = n = ( π n) 4 ( ) (.

07 0 ) 4 p hk.06 0.75 0 v = = = m m 9. 0 不確定性原理 : x p ~ h h o x ~ = ~ 0.

0 0 (m/s) ~ 00 結晶の格子の長さに近い k = フェルミ温度 0 - (m ),, =.86 0 8 (J) ~.75(eV) c: 光の速度結晶中の電子は量子性の表れる粒子!

古典物理一光年宇宙の半径電子は粒子であると同時に波である粒子電子の波動性目で見える範囲顕微鏡か望遠鏡で見える範囲波動電子の波は原子の周期と一致したものだけ強く散乱される定在波入射波反射波

3 ちなみに求め方はアルミニウム (Al) のフェルミ速度は? ( 電子密度 : n =8.07 x 0 8 (m - ) ) 4πk N =, π L = n = ( π n) 4 ( ) ( ) = ( 8 π n π ) 0 h E = m E T = = =.5 0 (K), k.8 0 k B 8 ( π n) = ( π ) 4 p hk v = = = m m 9. 0 不確定性原理 : x p ~ h h o x ~ = ~ 0.57(A) p k 物性物理 ( 大学年次後期 ) の講義ノートより N V k =, π = c =.0 0 (m/s) ~ 00 結晶の格子の長さに近い k = フェルミ温度 0 - (m ),, = (J) ~.75(eV) c: 光の速度結晶中の電子は量子性の表れる粒子!! 超伝導を理解するには原子の世界のルールを知る必要がある原子や電子はとても小さい量子の世界量子性われわれの常識を超えた世界量子の世界プランク長オングストローム大きな隔たりミクロン京都古典物理一光年宇宙の半径電子は粒子であると同時に波である粒子電子の波動性目で見える範囲顕微鏡か望遠鏡で見える範囲波動電子の波は原子の周期と一致したものだけ強く散乱される定在波入射波反射波量子の世界の不思議原子や電子には個性がない同じ状態にある同種粒子は本質的に区別できない同じ粒子 ( 原子電子 ) が個以上ある状態を考えるとは同じ状態!!?? 原子面電子は周期的に並んだ原子とはほとんどぶつからない ϕ(,) = x ϕ(,) ϕ(,) = x ϕ(,) x = したがって x = ± つの粒子の名前を入れ替えるもう一度入れ替える ( 元に戻す )

自然界に存在する粒子は x=+ と x=- の種類ある種類の粒子は全く異なった振る舞いを示す x= ボース粒子 ( ボゾン )

ボース粒子とフェルミ粒子粒子の入れ替え a b a b ボース粒子 ϕ a,b (,) = ϕ a,b (,) フェルミ粒子 ϕ

(,) = φ a () φ b () φ a () φ b () a=bのときϕ a,a (,) 0 a=bのときϕ a,a (,)

何個の粒子でも同じ状態を取ることが出来る ( みんなで集まる ) 個の粒子が同じ状態を取ることは出来ない ( 一人でいる )

つの伝導電子は格子振動を介して対を組む B C S クーパー対で秩序化引力の起源電子は様々な方向に様々な速さで運動 ( 無秩序 )

合成スピンゼロ秩序化した新たな量子状態 ( 格子振動を介した電子間引力 ) 格子 ( プラスの電荷 ) + 金属超伝導の発現機構

のお陰でボース粒子の性質を持つクーパー対を作る量子凝縮状態超伝導!! 57 BCS 理論 BCS 理論 J. Bardeen, L.

4 自然界に存在する粒子は x=+ と x=- の種類ある種類の粒子は全く異なった振る舞いを示す x= ボース粒子 ( ボゾン ) 光子中間子フォノンヘリウム 4 x=- フェルミ粒子 ( フェルミオン ) 電子ニュートリノ陽子中性子クォークヘリウムボース粒子とフェルミ粒子粒子の入れ替え a b a b ボース粒子 ϕ a,b (,) = ϕ a,b (,) フェルミ粒子 ϕ a,b (,) = ϕ a,b (,) ϕ a,b (,) = φ a () φ b () +φ a () φ b () ϕ a,b (,) = φ a () φ b () φ a () φ b () a=bのときϕ a,a (,) 0 a=bのときϕ a,a (,) = 0 ボース粒子フェルミ粒子フェルミエネルギーボースアインシュタインフェルミディラック何個の粒子でも同じ状態を取ることが出来る ( みんなで集まる ) 個の粒子が同じ状態を取ることは出来ない ( 一人でいる ) 超伝導状態とは電気抵抗がゼロ永久に電流が流れる電子が示す量子 ( 定常波 ) 状態フェルミ粒子である電子がなぜ凝縮状態を取れるのか? ( 同じ状態 ) 個の電子はボース粒子の性質なぜ起こる超伝導 :BCS 理論つの伝導電子を対にして秩序化した新たな粒子を作るつの伝導電子は格子振動を介して対を組む B C S クーパー対で秩序化引力の起源電子は様々な方向に様々な速さで運動 ( 無秩序 ) 運動量 k, スピンスピンは電子の自転に相当するような量運動量 -k, スピンペアを組むどのペアも運動量ゼロ合成スピンゼロ秩序化した新たな量子状態 ( 格子振動を介した電子間引力 ) 格子 ( プラスの電荷 ) + 金属超伝導の発現機構 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理論超伝導転移温度の歴史フェルミ粒子である電子がフォノンという仲人のお陰でボース粒子の性質を持つクーパー対を作る量子凝縮状態超伝導!! 57 BCS 理論 BCS 理論 J. Bardeen, L.N. Cooper J.R.Schrieffer Phys. Rev. 08 (57)75 ただしフォノンは熱による格子振動により壊される BCS 理論 40K を超える超伝導はおこらない 9 年 Hgの超伝導発見 957 年 BCS 理論 97 年 Heの超流動 979 年 CeCu Si の超伝導 986 年銅酸化物高温超伝導.. 赤 : ノーベル賞受賞 4

? 最近の超伝導研究高温超伝導の発見電子間引力がフォノン以外の超伝導の存在電子同士のクーロン相互作用で超伝導になる?

最近の話題になっている超伝導体いろいろな予期せぬ物質で超伝導体が見つかっている希土類を含む磁性体酸化物窒化物

- - 強相関電子系の超伝導体 979-980 年 : ブレイクスルー競合共存関係別の秩序状態との競合重い電子系

Steglich et al., Physical Review Letters 4, 89 (979).

5 ? 最近の超伝導研究高温超伝導の発見電子間引力がフォノン以外の超伝導の存在電子同士のクーロン相互作用で超伝導になる? その超伝導の性質は? 最近の話題になっている超伝導体いろいろな予期せぬ物質で超伝導体が見つかっている希土類を含む磁性体酸化物窒化物ホウ化物金属間化合物キャリアドープした絶縁体半導体 ( 例 : ダイヤモンドやセメントが超伝導?!) 電場誘起超伝導 etc 特に興味を持たれている超伝導体は? 共通の性質強相関系の超伝導体異方的ペアー波数に依存する超伝導波動関数 ( 非 s 波 ) s - p + + d 強相関電子系の超伝導体年 : ブレイクスルー競合共存関係別の秩序状態との競合重い電子系有機物超伝導体最初の強相関電子系超伝導 (CeCu Si ) Si. Steglich Cu. Steglich et al., Physical Review Letters 4, 89 (979). Ce 有機物の結晶 (TMTS) P 6 が超伝導になることを発見 D. Jerome et al., Journal de Physique Letter 4, L95 (980). D. Jerome K. Bechgaard 電気抵抗 T c で比熱に大きなとび比熱強相関効果によって重くなった電子による超伝導参照物質 5

6 重い電子系 & 有機物超伝導体異方的ペア d 波超伝導状態競合共存状態超伝導相の近傍に磁性秩序相 d 強相関系の超伝導体 986 年 : 超伝導分野最大の発見有機物 BEDT-TT 系の相図重い電子系 CeCoIn 5 の相図銅酸化物高温超伝導体 J. G. Bednorz and K.A. Müller, Zeitschrift für Physik B 64, 89 (986). 発見の僅か年後にノーベル賞受賞! 銅酸化物高温超伝導体強相関電子モット絶縁体近傍 S バンドバンド絶縁体 & モット絶縁体現在では常圧での臨界温度の最高記録 5 K(HgBa Ca Cu O 8+x ) d 異方的ペアー d 波超伝導状態競合関係超伝導相の近傍に反強磁性絶縁体相強相関系の超伝導体 MgB (T c =9 K) J. Nagamatsu et al., Nature 40, 6 (00) 銭谷秋光永松 000 年 ~: 多くの強相関系超伝導の発見主に日本の研究者によって Anharmonic E g mode~70mev Yildrim et al. 6

7 トピックス水和物コバルト酸化物の超伝導 ~985: Ionic Mobility of Li, Na batteries 00 年に発見母物質 Na x CoO (x~0.7) Bilayered Hydrate - Na x CoO yh O 次元層状構造桜井裕也リチウム電池の原理 Li x CoO CoO 層 CoO Na Li Susceptibility Resistivity Co イオンは三角格子を形成している銅ルテニウム酸化物超伝導体の Cu(Ru)O 面は正方格子を形成 Li Na CoO CoO Takada et al. Nature 4 (00) 5 Na x (H O) z CoO yh O Na xcoo 0.7H O Na xcoo.4h O 鉄ニクタイド高温超伝導体 Na xcoo Na の濃度の調節と水を挿入するため単結晶を水溶液中に数時間浸す保存も湿度 70% の環境で放置 Prof. H. Hosono Y. Kamihara et al, Journal of American Chemical Society, 0, 96 (008). 日本発の超伝導体非超伝導超伝導最高の転移温度は 55 K 銅酸化物に次ぐ Na x CoO の単結晶磁石として知られている e が超伝導に重要な役割をしている鉄ニクタイド高温超伝導体変なペア強磁性超伝導 UGe S.S.Saxena et al. Nature 406, 587 (00) S.S.Saxena (Cambridge) 非 s 波の状態の実現の可能性ライバル Ba(e -x Co x ) As P eff =.7µ B 強磁性 : 磁石にくっつく状態磁石磁性相超伝導体 Y. Kamihara et al. H. Chen et al. スピン密度波 (SDW) 相に超伝導が隣接 Sheikin et al. マイスナー効果 : 完全反磁性 7

スピン三重項超伝導 : ヘリウム超流動と類似の状態 High-H C の超伝導体 Sr RuO 4 He 超流動相 UCoGe (M:S)

84T c 重い電子系超伝導体 (Heavy ermion) A phase 軌道角運動量 L z = UPt A phase BCS 理論の予言

50 磁場で壊れない超伝導まとめ - p + + + d - 謝辞 : 松田祐司米澤進吾前野悦輝 ( 京大理 ) 橘高俊一郎 ( 東大物性研 )

8 スピン三重項超伝導 : ヘリウム超流動と類似の状態 High-H C の超伝導体 Sr RuO 4 He 超流動相 UCoGe (M:S) 通常の超伝導体 (Pauli limit) H c ~.84T c 重い電子系超伝導体 (Heavy ermion) A phase 軌道角運動量 L z = UPt A phase BCS 理論の予言東北大木村憲彰氏の論文より結晶の反転対称性を破った物質 (Noncentrosymmetric) 強磁性超伝導体 :UCoGe B c / T c ~ 50 磁場で壊れない超伝導まとめ - p d - 謝辞 : 松田祐司米澤進吾前野悦輝 ( 京大理 ) 橘高俊一郎 ( 東大物性研 ) 変なペアやライバルとの興味深い関係が現れる強相関系超伝導は多くの研究者を惹きつけている一昔では考えられなかった物質群が超伝導になっている超伝導研究以外の研究者が新奇な超伝導を発見している超伝導 ( 物性物理 ) はまだまだ未知の面を秘めている - 8

超伝導研究の最前線

超伝導研究の最前線低温科学 A 2015 年 4 月 22 日理学研究科物理学第一教室石田憲二 ( 内線 :3752) kishida@scphys.kyoto-u.ac.jp 超伝導の紹介 Keyword 量子性 : 超の世界の法則金属中の電子の不思議粒子 ( 電子 ) の量子性電子間の引力相互作用 1. 温度とは絶対零度とは分子運動のイメージ温度 :T ( K: ケルビン ) Lord Kelvin