東京大学
東京理科大学
理化学研究所
在铜氧化物高温超导体中，发现了电荷微小且均匀分布的无扰动的极其漂亮的晶面，阐明了其电荷的行为。 研究人员发现，在电荷分布没有紊乱的漂亮晶面上，与以往的常识相反，注入Mott绝缘体的电荷即使无限微小，也会生成长寿命的粒子，可以自由移动。 经过37年的历史构筑的铜氧化物高温超导体的电子相图很可能是受扰动影响的晶面特有的。 通过找到与之不同的更本质的电子相图，高温超导研究有望取得新的进展。
发现在没有紊乱的漂亮晶面上，即使是极微量也有电荷流动
発表概要
东京大学物性研究所的黑川辉风研究生(该大学研究生院理学系研究科在籍(当时) )、近藤猛副教授、以及东京理科大学先进工学部电子系统工学系的矶野隼佑研究生(当时)、常盘和靖教授的研究小组由东京大学物性研究所的小滨芳允副教授、东京理科大学先进工学部物理工学系的远山贵巳教授、 在理化学研究所创发物性科学研究中心高级研究员酒井志朗等人的协助下，研究人员解开了铜氧化物高温超导体中Mott绝缘体(注1 )相极附近的电子状态。 1986年发现的高温超导是20世纪后半期物理学中最重要的发现之一。 其结晶为CuO2面(注2 )和电荷供给层层叠而成的结构。 如果没有电荷从电荷供给层注入，就会成为Mott绝缘体。 自高温超导发现以来，经过长达37年的研究建立的电子相图(注3 )表明，如果不通过电荷注入完全消除反铁磁性有序，就没有电流动。 本研究着眼于通过避免与产生混乱的电荷供给层的直接接触而使电荷分布均匀的、具有无混乱的漂亮CuO2晶面的多层型铜氧化物高温超导体(图1(c )，注4 )。 使用激光电子能谱(注5 )进行电子结构的精密测量，以及使用强磁场进行的量子振动(注6 )测量的结果，发现注入的电荷在反铁磁性秩序即将消失之前，即使是无限微量，也可以在金属上自由移动。 这一结果意味着，此前被认为已确立的铜氧化物高温超导体的电子相图是在CuO2面存在混乱的情况下特有的。 根据提出更本质的真电子相图的本研究结果，高温超导研究有望取得新的进展。 本成果刊登在Nature communications杂志(日本时间7月14日下午6点)上。
图1 .铜氧化物高温超导体的晶体结构:以往(左图)和本研究(右图)中作为对象的物质的晶体结构的差异 显示了以往的研究中作为对象的1层型( a )、2层型( b )以及本研究中作为对象的6层型( c )。 在铜氧化物高温超导体中，CuO2面被上下2片电荷供给层夹持。 通过对该电荷供给层实施氧退火或元素置换，电荷(空穴和电子)被提供给CuO2面，电子浓度发生变化，从而发现超导。 在此前研究的1层型( a )和2层型( b )中，由于电荷供给层与CuO2面直接接触，因此杂乱的势会施加在CuO2面上，导致电荷分布不均匀。 另一方面，在6层型( c )中，不与电荷供给层直接接触，在外侧的CuO2面上被屏蔽效果保护的“漂亮的CuO2面”配置在内侧。 而且，由于内侧的CuO2面远离电荷供给层，因此注入的电荷为微量。
为了弄清高温超导出现的机制，迄今为止从实验和理论两方面进行了大量的研究。 然而，关于高温超导的机制还没有统一的见解，至今仍困扰着科学家。 铜氧化物高温超导体的母体状态是反铁磁性Mott绝缘体。 向其中注入电荷后，以某个注入量为界就会出现超导。 弄清楚表达超导之前Mott绝缘相附近的状态，对于理解高温超导表达的机制是很重要的。 在注入的电荷较少的Mott绝缘体相附近，作为其舞台的CuO2面有可能对电荷分布的紊乱非常敏感，因此有必要仔细看清本质的电子状态。 迄今为止的主要研究对象是每单位胞具有1枚或2枚CuO2面的化合物(图1(a )、( b ) )。 这是基于结构简单、试料制作容易，而且其简单性适合发挥本质物性的判断。 另一方面，用扫描隧道显微镜对它们的电子态进行空间扫描和观察时，指出电荷分布明显不均匀。 其原因可能是，在晶体内，电荷供给层与CuO2面直接接触，因此来自电荷供给层的杂乱的势施加在CuO2面上。 高温超导机理的阐明需要实验事实和理论预期综合一致。 但是，由于尝试说明实验的理论没有设想电荷分布不均匀且混乱的CuO2面，因此迄今为止两者无法进行对等比较。 为了解决这个致命的问题，需要用某种方法将电荷从电荷供给层均匀地注入CuO2面，实现没有混乱的漂亮的CuO2面。 如果能以其理想的CuO2面为对象，通过实验弄清Mott绝缘体相附近电荷的行为，则有望在高温超导研究上取得突破。
本研究着眼于具有6个CuO2面的多层型铜氧化物高温超导体(图1(c ) )。 该物质具有配置在不与电荷供给层相邻的内侧的CuO2面。 该内侧的CuO2面在结构上变平的同时，通过位于更外侧的CuO2面的遮蔽效果，保护其免受由电荷供给层带来的空间上不均匀的电荷注入和缺陷的影响，从而实现“漂亮的晶面”。 另外，位于更内侧的CuO2面在空间上离电荷供给层越远，电荷的注入量也越少。 根据迄今为止确立的电子相图(图2(a1 ) )，仅向Mott绝缘相注入微量的电荷时，电荷会被反铁磁性有序包围，从而感到能垒(能隙)，无法移动(图2(b1 )、( CCD ) 即使坐在原地，也会由于周围受到的散射效果而无法保持相同的状态，电荷的寿命会变短(光谱变宽) (图2(d1 ) )。 另一方面，此次观察到的位于多层型试料内侧的CuO2面中，注入的电荷非常微量，即使在对紊乱非常敏感的情况下，也没有能量屏障，电荷可以自由移动(图2(b2 )、( c2 ) )。 另外，发现很少会被周围的人因散射而干扰，可以保持相同的流向，寿命非常长(光谱尖锐) (图2(d2 ) )。 这些结果与传统的电子相图不相容，认为反铁磁性有序位于背后时电荷无法移动。 通过本研究，阐明了电荷在没有混乱的漂亮的CuO2面的行为，绘制了铜氧化物高温超导体中更本质的电子相图。
图2 .在“混乱的CuO2面”(左图)和“漂亮的CuO2面”(右图)中只注入了少量的电荷的移动的差异 电子相图是表示物质电子状态的象征。 铜氧化物高温超导体在未注入载流子的状态下为反铁磁性Mott绝缘体，通过在CuO2面注入一定量以上的载流子成为超导体。 在迄今为止研究的1层型和2层型物质所具有的“混乱的CuO2面”中，反铁磁性相和超导相完全分离( a1 )。 另一方面，在6层型物质内侧具有的“漂亮的CuO2面”中，存在这2个相重叠的区域( a2 )。 在“混乱的CuO2面”的反铁磁性相中，即使微量注入电荷也无法移动，成为绝缘体状态( b1、c1 )。 如果用光电子分光得到的光谱模式表示这一点，就会出现( d1 )能隙扩大，光谱宽度变宽。 这些分别表示，存在用于移动电荷的能垒，另外，受到周围较大散射，寿命较短。 另一方面，在“漂亮的CuO2面”中，即使无限微量的注入，电荷也会金属地移动，通电( b2、c2 )。 从光谱来看( d2 )，没有间隙，光谱宽度变窄，分别表示没有用于移动电荷的能垒，散射小，寿命长。
图3 .用激光电子能谱观察到的费米面( a，注7 )和中心部的电子结构( b )以及光谱( c ) 在作为本研究对象的6层型铜氧化物高温超导体中，根据离电荷供给层的距离形成3种费米面。 其中两种成为圆形状的费米面。 意味着电荷注入量更小的较小的圆形费米面来自离电荷供给层最远的CuO2面。 图2 ( b )是立体地表示其电子结构(能量的动量依赖性)的图。 相对于( a )中用红点标记的运动量测定的光谱为( c )。 没有能隙，光谱极其清晰。 这些结果显示，电荷注入量为1%以下，为微量，即使在反铁磁性秩序发达的情况下，注入的电荷也在金属上自由流动。
电子相图是表示该物质的电、磁性质的象征。 高温超导体被发现后的37年间，进行了大量的研究，如果看起来似乎已经确立的电子相图是混乱系统特有的东西的话，对本研究的冲击就无法估量了。 对于设想没有混乱的理想CuO2面而构建的高温超导的理论研究也有很大的波及效果。 可以认为，高温超导机制的阐明是在以无扰动的CuO2面为对象，实验事实和理论呈现出全面一致时形成的。 通过展示了其最终目的的具体方向性的本研究，可以期待高温超导研究今后有新的发展。
东京大学 附属国际超强磁场科学研究设施 附属极限相干光科学研究中心 小滨芳允(副教授) <反式量子科学国际联合研究机构副教授> 近藤猛(副教授) <反式量子科学国际联合研究机构副教授> 物理学专业 黑川辉风(研究当时:博士课程) 研究生理学系研究科 物性研究所 东京理科大学 物理工程学 电子系统工程科 远山贵巳(教授) 常盘和靖(教授) 电子应用工程专业 矶野隼佑(研究当时:硕士课程) 研究生基础工程研究科 先进工学部 理化研究所 计算物质科学研究小组 酒井志朗(高级研究员) 创发物性科学研究中心
杂志: Nature communications 标题: unveiling phase diagram of the lightly doped high-TC cup rate super conductors with disorder removed 作者: Kifu Kurokawa，Shunsuke Isono，Yoshimitsu Kohama，So Kunisada，Shiro Sakai，Ryotaro Sekine，Makoto Okubo，Matthew D. Watson Cephise Cacho，Shik Shin，Takami Tohyama，Kazuyasu Tokiwa*，and Takeshi Kondo*(*责任作者) DOI:10.1038/s41467-023-39457-7
本研究是在旭硝子财团、日本学术振兴会的科学研究费(课题编号JP21H04439 and JP19H00651 )、文部科学省的光量子跳跃旗舰计划( Q-LEAP课题编号JPMXS0118068681 )的资助下实施的。
(注1 )Mott绝缘体: 在通常的绝缘体中，电子以波的形式在固体内扩散，但净电荷的流动相互抵消，没有电流流动。 与普通绝缘体不同，电子之间的库仑排斥过大，电子不能在原子间传播(也就是说不能将电子定义为波)，束缚在各原子位点，结果不流通电流的绝缘体称为Mott绝缘体。 (注2 ) CuO2面: 虽然在铜氧化物高温超导体中发现了各种各样的晶体，但是它们共同拥有的、负责超导的二维晶面是由铜和氧构成的CuO2面。 将单位晶体结构内的CuO2面的片数为3层以上的特别称为多层型铜氧化物高温超导体，本研究将其作为研究对象。 (注3 )电子相图: 铜氧化物高温超导体如果不注入载流子就是反铁磁性Mott绝缘体，但注入载流子后，反铁磁性有序的转变温度下降，不久就会出现超导。 超导转变温度随着载流子的量而上升，但以一定的载流子量为界，转变温度减少，再增加的话，就会从超导体向不显示超导的金属变化。 像这样，描绘了随着载流子量变化的物质状态的图称为电子相图。 (注4 )多层铜氧化物高温超导体: 以1986年贝德诺尔茨和穆勒在La-Ba-Cu-O系物质中发现了高温下的超导转变为开端，在短时间内相继发现了显示出高超导转变温度的铜氧化物类似物质。 它们称为铜氧化物高温超导体，其中，单位晶体结构内具有3层以上传导面( CuO2面)的物质群称为多层型铜氧化物高温超导体。 该物质组除了与电荷供给层直接接触的外侧CuO2面外，还在内侧具有不与电荷供给层直接接触的CuO2面。 (注5 )激光电子能谱: 向物质照射光时，电子(光电子)从试样向真空中放出。 这是一种通过调查光电子的动能以及逃逸角度，可以观测物质中电子的能量和动量(也就是可以决定电子结构)的实验方法。 作为激发光，特别是组合了高强度且单色性高的激光的激光电子分光，可以以高精度提取物质的信息。 在本研究中，我们使用了物性研究所开发的可以进行超高分辨率测量的激光电子分光装置进行了实验。 (注6 )量子振荡: 向物质施加强磁场时，会形成不连续(离散)的能级。 反映这一点的、各种物理量(电和磁性质)与磁场强度一起振动的行为称为量子振动。 通过观测量子振动，可以得到关于费米面的详细信息。 (注7 )费米面: 物质内的电子所能拥有的能量和动量的三维绘图叫做电子结构，是各个物质固有的形状。 物质内的电子从其电子结构的能量更低的能级开始被占有，但用所有电子被占有到达的最大能量(费米能级)描绘的等能量面称为费米面。 费米面包围的面积与注入的电荷的量相对应。 成为物质固有形状的费米面掌管各物质的电气特性，因此是非常重要的结构。
(公布日期: 2023年07月14日)
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