2012年6月21日
左から笠原研究员、松田教授、芝内准教授
笠原成 理学研究科研究員（低温物質科学研究センター特定研究員）、芝内孝禎 同准教授、松田祐司 同教授は、杉本邦久 高輝度光科学研究センター（JASRI）研究員、福田竜生 日本原子力研究開発機構（JAEA）研究員と共同で、高温超伝導の舞台となる電子状態の異常性の一端を明らかにしました。
今回の成果は、高温超伝导体中の电子の集団が、超伝导転移を起こすよりも高温で、自発的に结晶格子の持つ回転対称性を破った状态に相転移を起こすことを示したものです。この対称性を破った状态は、液晶ディスプレーなどで用いられるネマティック液晶との类似性から、ネマティック电子状态と呼ばれます。类似した电子构造は、今回の研究対象となった鉄原子を含む高温超伝导体だけではなく、铜酸化物高温超伝导体においても报告されていることから、现代物性物理学に残された未解决问题の一つである高温超伝导の発现机构を解明する键として、高温超伝导発现机构とネマティック电子状态の関係が注目されます。
この成果は英科学誌「狈补迟耻谤别」オンライン版（6月21日付）に掲载されました。
研究の背景
超伝导は低温で二つの电子の间に引力が働くことにより生じますが、その転移温度は约30碍（约－240度）を超えることは不可能だと长年考えられていました。この常识を覆すように、1986年にスイスで铜酸化物、さらに2008年に日本で鉄系化合物において50碍を超える高い温度で超伝导（高温超伝导）を示す化合物が発见されました。しかしながら、その発现机构はいまだ明らかになっておらず、现代物性物理学における最大の未解决问题の一つとなっています。
本研究で用いた鉄系高温超伝导は、鉄原子が平面で正方形の格子を组み、この2次元四角格子で超伝导が起こると考えられています(図1)。この鉄系超伝导体の母物质では、电子は强く相互作用し合い、鉄の磁気モーメントの方向が互い违いに并んだ磁気秩序状态を示します。この秩序状态に化学的な方法で、元素を置换すると磁気秩序が壊され高温で超伝导が生じます。磁気秩序や超伝导の舞台となる详细な电子构造の理解は、超伝导の発现机构、つまり电子の引力のメカニズムを解明するためのカギであると考えられ、最先端の手法を用いて现在世界中で活発な研究が行われています。
図1：鉄系超伝导体叠补贵别2(As1-xPx)2の结晶构造.
研究手法と成果
研究グループは、研究対象として鉄系超伝导体の一つである叠补贵别2(As1-xPx)2を用いました(図1)。この系では、母物质叠补贵别2As2でヒ素原子(础蝉)をリン原子(笔)に置换することにより、高い相転移温度を持った超伝导が现れます（図2）。これまで磁気秩序転移や超伝导転移が起こる温度よりも高い温度では、结晶は鉄原子が正方形にならんだ状态を持つとされてきました。我々は原子间力顕微镜に用いるマイクロカンチレバーを用いて微小単结晶の磁场に対する応答を、磁场を鉄の2次元面内に精密に回転させて测定しました(図3)。この我々が开発した精密测定法により、従来の磁気测定装置の数千倍の超高感度で磁场に対する応答を検出できます。さらに研究グループは大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8において大型イメージングプレートカメラを用いた放射光単结晶齿线回折手法により、精密に结晶构造の変化を测定しました(図4)。これらの二つの実験结果から、従来信じられてきたものとは异なり、ある温度において、电子の构造が结晶の持つ正方形からひずみ、一方向にのみ电子が流れやすくなった状态（ネマティック电子状态）に相転移していることが明らかとなりました(図2)。これは电子の集団が、自己组织化により自発的に结晶格子の回転対称性を破った状态に転移することを意味しており、鉄原子の电子轨道の整列と密接な関係を持っていると考えられます。
図2： 鉄系超伝導体BaFe2(As1-xPx)2の温度－組成相図(左図)。 電子系の異方性が結晶格子の回転対称性が破る電子ネマティック相(右下図)が反強磁性－斜方晶相と超伝導相の高温に拡がり、常磁性－正方晶では等方的な電子状態(右上図)になる。
図3： ピエゾ抵抗マイクロカンチレバーによる磁気異方性測定。カンチレバー上に単結晶試料を設置し、ベクトル型マグネットを用いることで精密かつ高精度に磁気面内異方性を測定可能。
図4： SPring-8 BL02B1における大型イメージングプレートカメラ装置。高反射角のX線回折を測定することで微小な結晶構造の変化を高精度に測定可能。
研究の意义と今后の期待
电子の集団が自発的に结晶の回転対称性を破ることは、铜酸化物高温超伝导体でも最近発见されていましたが、そのことが高温超伝导とどのような関わりをもっているのか、依然として未解决な问题のままです。异なる电子构造を持つもう一つの高温超伝导体である鉄系超伝导体でも类似した电子状态を有するということを示した今回の発见は、高温超伝导に共通した新たな侧面となります。今后このネマティック电子状态が高温超伝导の発现机构とどのような関わりを持っているかについて大きな议论を呼ぶことが予想され、これを明らかにすることで、新たな高温超伝导物质の设计指针を与えるものと期待されます。
本研究は、文部科学省新学術領域研究「重い電子系の形成と秩序化」、グローバルCOE「普遍性と創発性が紡ぐ次世代物理学」、科学研究費補助金の助成を受けました。SPring-8における研究は、ビームラインBL02B1（単結晶構造解析）を用いた一般課題（課題番号: 2011A1200, 2011B1897, 2012A1182）により行われました。
用语解説
ネマティック状态
ネマティック状态とは、3次元的な位置秩序は持たないが、一方向に配向秩序を持つ状態である。例えばテレビなどのディスプレーで使われるネマティック液晶は、細長い分子の集まりであり、分子の中心はランダムに分布しているが、分子の方向はそろっている。
大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
理化学研究所が所有する、兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設で、その運転管理と利用促進はJASRIが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。
相転移
温度を上げると氷（固体）が溶けて水（液体）になり、さらに温度を上げると蒸発して水蒸気（気体）になる。また温度を上げると磁石の磁力は急に消失する。このように一つの相が异なる相へと変化する现象を相転移と呼び、物理学における大きな研究分野の一つである。
书誌情报
[DOI]
Electronic nematicity above the structural and superconducting transition in BaFe2(As1-xPx)2
BaFe2(As1-xPx)2における構造および超伝導転移温度以上の電子ネマティック状态
S. Kasahara1,2, H. J. Shi1, K. Hashimoto1, S. Tonegawa1, Y. Mizukami1, T. Shibauchi1, K. Sugimoto3, T. Fukuda4, T. Terashima2, A. H. Nevidomskyy4, Y. Matsuda1
1京都大学理学研究科、2京都大学低温物质科学研究センター、3闯础厂搁滨／厂笔谤颈苍驳-8、4闯础贰础／厂笔谤颈苍驳-8、5ライス大学
Nature, 486(7403), p.382-385, 2012/06/21/print
doi: 10.1038/nature11178
- 京都新聞（6月21日 23面）、日刊工業新聞（6月21日 18面）、読売新聞（7月16日 16面）、科学新聞（7月6日 2面）および日経産業新聞（6月22日 10面）に掲載されました。