超伝導フロンティア 磁性と協奏する新しい超伝導 ノーベル賞 ( 1913 ) 発見から 100 年目の超伝導 電気抵抗 臨界温度 (K) 160 140 温度 120 100 80 60 液体窒素 銅酸化物 TlCaBaCuO TlCaBaCuO BiCaSrCuO YBaCuO HgCaBaCuO ( 高圧下 ) HgCaBaCuO ( 高圧下 ) HgCaBaCuO SmFeAsO 0.9 F 0.1 LaSrCuOMgB 2 BCS 40 の壁 LaFeAsO 0.89 F 0.11 Hg Pb NbC NbN V 3 Si Nb 3 Ge LaBaCuO 20 PuCoGa 5 Nb-Al-Ge Nb Nb 3 Sn CeCu 2 Si 2 LaFePO 0-273 1910 1930 1950 1970 1990 重い電子系 年 -100 鉄系高温超伝導物質群
高温超伝導への道 電子ー格子 ( 振動 ) 相互作用に起因する超伝導発現機構 T c exp [ ー 1/ N(0)V ] T c を上げるためには デバイ温度 ( D ) フェルミ面での状態密度 [N(0)] 引力の強さ (V ) のいずれかの大きい物質を探せばよい デバイ温度 ( D ) が高いと T c は高い? ω 1/ M M: イオンの質量 格子振動による電子散乱と電気抵抗
- 潮流 - 今 私たちの研究フロンティア MgB 2 T c =39 K BCS 機構の超伝導体で現在最高の T c (39K) 青学大 : 秋光先生
軽い元素を含む高温超伝導の研究 MgB 2 秋光グループ 高い超伝導転移温度を説明するモデル Y. Kong et al., PRB 64, 020501(R) (2001). 軽い元素 (B) 2D honey-comb 格子適度な状態密度が高いT c には有効 E 2g モード A. Y. Liu et al., PRL 87, 087005 (2001). optical E 2g モードと電子との強く結合が高い T c が生む 計算値 ω= 670~860K λ= 0.73~1 NMR ω~700k λ~0.87
超伝導周期律表 単体元素固体の金属化 超伝導化 金属水素の室温超伝導の可能性? 革新的な超高圧物性測定技術 Li:K. Shimizu et al., Nature 419 (2002)597. B:M. I. Eremets et al., Science 293(2001)272. O:K. Shimizu et al., Nature 393 (1998)767. Ca:S. Okada et al., J. Phys. Soc. Jpn. 65, 7 (1996)1924. Fe:K. Shimizu et al., Nature 412 (2001)316. S:S. Kometani et al,. J. Phys. Soc. Jpn., 66 (1997) 2564. 室温超伝導はみつかるのか? 超高圧下 H 3 S(bcc) の超伝導 : T c ~ 203 K A.P. Drozdov, M. I. Eremets*, I. A. Troyan, Nature (2015) 第 1 原理計算による 理論予想 : T c ~ 195 K 金属水素 : T c ~ 300 K
- 潮流 - 今 私たちの研究フロンティア Bednorz Müller BCS の壁 を越えた超伝導の発見 1986 年以前の超伝導転移温度の最高記録 24 K (Nb 3 Ge) 理論家は 超伝導転移温度は高くても 30~40K 程度まで BCS の壁 臨界温度 (K) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 液体窒素 金属系超伝導 銅酸化物 TlCaBaCuO TlCaBaCuO BiCaSrCuO YBaCuO LaSrCuO (1993) LaBaCuO Pb NbC NbN V 3 Si Nb 3 Ge Nb-Al-Ge Hg Nb Nb 3 Sn 1910 1930 1950 1970 1990 HgCaBaCuO ( 高圧下 ) HgCaBaCuO ( 高圧下 ) HgCaBaCuO 年 -100-273
La-Ba-Cu-O 系超伝導の発見 Z. Phys. B (1986) 30K Bednorz Müller Müllerらの探索指針 Jahn-Teller 型の強い電子 格子間相互作用を持つ系としてCuO 6 八面体を含む物質を探索した ( BCS 機構を最大限に生かした超伝導 ) ノーベル賞 (1987) Possible 確認! マイスナー効果 マイスナー効果が確認され 超伝導 と認定され 構造 化学式など詳細が明らかになる ( 東大の田中グループ ) 超伝導フィーバーが起き 社会現象になる 帯磁率 (10-3 emu/g) 0-1 -2 X = 0.075 H = 7.7Oe 高温超伝導の確認と構造の決定 -3 0 10 20 30 40 温度 (K) 銅酸素 CuO 2 面 CuO 2 面 CuO 2 面 田中昭二北澤宏一内田慎一高木英典層状ペロブスカイト構造
高温超伝導フィーバー T c ~ 130K Hg 系 ( 高温超伝導の世界記録 ) T c ~ 90K T c ~ 30K 金属の超伝導を解明した BCS 理論では 高温超伝導を説明できない 発見後 25 年経った現在 その解明に向けた重要な実験結果が得られている HgBa 2 Ca n ー 1 Cu n O 2n+2+δ 多層系高温超伝導物質の構造 ~ Hg- multilayered cuprates ~ Hg Cu O Ba Highest - T c Record! OP IP IP* IP OP Ca Hg-1201 Hg-1212 Hg-1223 Hg-1234 Hg-1245 Hg-1256
超伝導転移温度の銅酸素面の層数およびキャリア数依存性 Number of CuO 2 planes 銅酸化物高温超伝導の発現機構について
ドープされたモット絶縁体 La 2 CuO 4 La 3+ 2-xSr 2+ xcuo 4 d(x 2 -y 2 ) charge reservoir Cu +2 (3d 9 ) Cu 2+x La (Sr) CuO 2 layers charge reservoir Cu O La 2 CuO 4 La(Sr) Antiferromagnetic Mott insulator Doping holes causes high- T c superconductivity Multilayer Cuprates:Merit and Motivation HgBa 2 Ca n 1 Cu n O 2n+2+δ T c =135K Novel Phase Diagram of Antiferromagnetic Order and Superconductivity in Multilayered Copper Oxides Ba 2 Ca n 1 Cu n O 2n (F y O 1 y ) 2
自然界の力の源泉 Benzene C 6 H 6 超伝導の起源 水素分子を形成する電子間に働く量子力学的交換相互作用 -JS 1 S 2 水素分子のスピン 1 重項電子状態 反強磁性モット絶縁体 Resonating Valence Bond (RVB) 共鳴原子価 ハイゼンベルグモデル 強い相互作用 : meson 弱い相互作用 : weak bosons 電磁相互作用 : photon フォノン交換 クーパー対 e - スピン1 重項 e - 電子対 BCS 理論 : フォノン交換による引力 動き回り, 互いに重なり 合うスピン 1 重項電子対 反強磁性 + 局所スピン 1 重項
高温超伝導現象から学んだこと Carrier doping Delocalized Resonating Spin-singlet Pairs AFM dsc AFM + d-wave SC 温度相図 電子状態相図 超伝導転エ移ネ温ル度ギーギャップT(K) M AF ( B ) SC (mev) (a) T=1.5 K 実験 (c) 磁T N 気モーlHm2x5KolHm2x5K メo ンT c 反強磁性 (AF) 反強磁性超伝導超伝導 (AF) (SC) (SC) AF+ SC AF+SC ホール濃度 (p) ホール濃度 (p) ト600 T N (K) 500 (b) n=5 n=4 n=3 (Ca,Sr)CuO 2 0.8 La 2 CuO 4 M AF ( B ) 理論 (t - J モデル ) 超伝導 (SC) (d) SC 400 強相関電子状態 300 (U > 8t) を背景としてドープしたモット反強 0.4 反強磁性 (AF) 200 Nd 2 CuO 4 磁性状態と共存する超伝導の発現を経て 反強磁性秩序の 100 0 AF+SC 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.0 0.0 消失後に 超交換相互作用 <M AF (p)> ( B ) J に起因する高温超伝導出現 20 10
有機物伝導系の超伝導現象
擬一次元有機超伝導の温度圧力相図 温度 電荷秩序 圧力 有機化合物超伝導体 超伝導ー磁性相図 超伝導 反強磁性絶縁体
有機化合物 : λ-(bets) 2 FeCl 4 BETS: 伝導層 FeCl 4 : 絶縁層 ( 磁性層 ) BETSl ayer a,c 方向の 2 次元の電気伝導性 FeCl 4 l ayer c b a Fe の d 電子と BETS の π 電子 ( 伝導電子 ) の負の交換相互作用が期待される BETS 上の内部磁場が外部磁場を打ち消す!? 磁場誘起超伝導状態の発見 b -(BETS) 2 FeBr 4 electron donor molecule S Se Se S Uji et al I H a c J S Se Se S BETS BETS= Bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene T (K) 2.5 2.0 1.5 1.0 CAF -(BETS) 2 FeBr 4 #k008 H // c (exactrly), I // b T c = 1.4 K so = 9.0 H c2 = 16.4 T H J0 = 14.6 T 0.5 SC PM FISC 0 2 4 6 8 H (T) 10 12 14 16
有機化合物 : λ-(bets) 2 FeBr 4 H //a H //c 超伝導 超伝導 磁場誘起超伝導相は磁性イオン Fe が不可欠 -d 磁気相互作用 : J= ー 2.3 T/ B ( 11.5 T/Fe ) 藤山ら 磁場誘起超伝導 有機化合物 : λ-(bets) 2 FeCl 4 常磁性金属相 AF CAF SC AF : 反強磁性絶縁相 CAF : キャントした反強磁性相 SC : 超伝導相 S. Uji et al., Nature (2001) 強磁場 H>17T 磁場誘起超伝導相
フラーレン (C 60 ) ポリマーアルカリ金属ドープ フラーレン結晶超伝導転移温度Tc Pressure Induced SC in Pure Iron:Ferromagnetic-spin fluctuation mediated SC?? AFM Non-magnetism Ferromagnetism SC K. Shimizu et al., Nature 412 (2001) 316.
電界効果誘起超伝導現象について 電界効果型トランジスタ (FET) MOS 構造 Ⅰ V SD : 一定 0 V G 現代ハイテクの根幹 整流作用スイッチ 電気 2 重層イオン液体電界効果キャリア注入 による超伝導現象の発現
電界誘起による超伝導の発現 発見から 100 年目を迎える超伝導研究 室温 超伝導体の探索 高温超伝導の起こるメカニズムを解明 超伝導発現機構の多様性の実験的 理論的解明 これら超伝導現象の統一的理解
Frontier of Superconducting Phenomena Heavy-electrons systems Organic conductors High-T c copper oxides AFM SC AFMI SC AFMI SC AFMI SC Nearly localized f-electrons Half-field p π bands Half-filled 3d bands Strongly Correlated Electrons Systems CuO 2 面 クーパー対の対称性 : その多様性の不思議 クーパー対 s 波一重項 d 波一重項 p 波三重項 2 つの電子の 相対軌道運動 相対スピン状態に関する多様性がわかってきた 3 He 超流動 超伝導の発現機構に深く関係! 金属系超伝導 従来型 (BCS) 銅酸化物高温超伝導 強相関物質で起こる超伝導体の多数 極希に超伝導体でも Sr 2 RuO 4 (1998) UPt 3 (1996) など数例知られる
永久磁石および高温超伝導現象 : 電子スピンの秩序の制御 強磁性体 ( 金属 ) 量子力学的 交換相互作用 (J) J -JS 1 S 2 反強磁性体 ( 絶縁体 ) (i) J > 0 の物質 S 1 と S 2 は同方向を向く 強磁性 (T c ~1000 K) 永久磁石電 永久磁石として利用 高温超伝導 J (ii) J < 0 の物質 S 1 と S 2 は逆方向を向く 反強磁性 (T c ~135 K) 多層系銅酸化物 抵高温超伝導の舞台になる T c = 135 K 抗ことが最近わかってきた! ゼロ気室温超伝導探索の指針 強相関効果は機能を生み出す Hubbard model H= - t a + i+1a i + U n i n i Kinetic energy To see outside world On-site Coulomb repulsive interaction Make them away from each other Bandwidth control 高温超伝導 metal 金属 Insulator 高温強磁性 Filling control
科学的課題 : 電子状態の可視化と制御から創発する知と機能 植物 光合成 (II) 活性中心マンガン磁性錯体 ミクロ構造がマクロ物性機能を発出 CRL 半導体 : 集積回路素子 :Mn 原子 (spin) 2H 2 O O 2 +4e+ 4H + Mn 電子スピン状態の 4 段階にわたる変化 ネオジウム永久磁石 電子の間に働く反発力と低エネルギー電子移動 スピン超格子 スピン軌道作用による多様性 多層系銅酸化物高温超伝導物質 T c = 135 K モノ の多様性と普遍的な 学理の探究 と 知の活用 植物の光合成における磁性マンガンクラスター Mn 4 CaO 5 の 反応機構と低エネルギー電子 プロトン移動