東北大、高温超伝導の実現に重要な「電荷密度波」を安定化する状態を発見

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東北大学は2月13日、銅酸化物層の単層構造を持つ超伝導物質のランタン・ストロンチウム・銅酸化物の「La1.885Sr0.115CuO4」(LSCO)の「電荷密度波」(CDW)の素性を解明するため、24Tまでのパルス磁場を印可した条件下で、X線自由電子レーザーによる回折実験を行い、絶対温度6.5Kの無磁場中では2種類のCDWが存在し、超伝導と共存する「短距離秩序CDW」からのX線散乱強度が、強磁場で誘起される「渦糸液体状態」(超伝導体を貫くように生じる磁束線が、その位置を変えながら動いている状態)になると突然増加することがわかったと発表した。

同成果は、東北大 金属材料研究所の野尻浩之教授、同・藤田全基教授らの研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

CDWとは電荷密度の大きさが、実空間で周期的な濃淡を持った状態のことをいい、銅酸化物高温超伝導相には共通して観測されている。銅酸化物の単層構造を持つLSCOでは、ほかの超伝導体と異なり、キャリア濃度(x)が1/8に近い試料において、CDWだけでなく「スピン密度波」(pin Density Wave:SWD)の秩序状態が存在し、その安定性がxの量で変化することが知られている。SWDは、電子スピン密度の大きさが、実空間で周期的な濃淡を持った状態のことをいう。

また近年の研究から、CDWには2種類あることがわかってきたという。SDWと空間的に共存した長距離秩序CDWと、SDWを伴わない短距離秩序CDWが、同じ試料内に相分離していると提案されている。性質の異なるCDWの情報を得るためには、磁場などの外場を加えて、その変化を観測することが有効だという。そこで研究チームは今回、自作したLSCOの高品質単結晶試料に対して、X線自由電子レーザーを活用したパルス強磁場下における回折実験を実施し、CDWの磁場応答から超伝導とCDWの関係解明を目指すことにしたとする。

銅酸化物高温超伝導体における「上部臨界磁場」(超伝導状態が壊れて常伝導状態になる磁場の大きさ)は、数十Tと高いことがわかっている。そのため、磁場下で超伝導とCDWの関係を調べるためには、超伝導状態が変化するほどの強磁場を印可した状態でCDWを観測する必要があるという。またCDW状態の観測には、十分な入射X線の輝度も必要とされる。

そこで今回の研究では、両者を満たすために、米国の自由電子レーザー施設であるスタンフォード線形加速器センター(SLAC)に、研究チームが開発したポータブル・パルス磁石を持ち込み、強磁場下でシングルショット高輝度X線回折実験を行うことにしたという。

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具体的には、無磁場でCDWからの回折プロファイルが取得され、その温度依存性から試料内に長距離秩序と短距離秩序の両CDWが存在することが確認された。短距離秩序CDWは、超伝導状態で散乱強度が減少することから、超伝導と相関を持った状態であることが示唆されると研究チームでは説明しているほか、散乱強度の比較からCDWの成分の半分以上が短距離秩序CDWであることも確認されたとする。

また、今回の実験における最も注目すべき発見として研究チームでは、磁場を印可すると、ある磁場(Hm)を境にCDWからの散乱強度が急激に増加することを挙げている。このHmは超伝導体に侵入した磁束線が融解する磁場であることから、強磁場で誘起される渦糸液体状態とCDWの間に強い結合があることがわかるとのことで、超伝導との関係性から、この変化は短距離秩序CDWが担っていることが考えられるとしている。

一方、Hm以下の強度変化は、SDWの磁気散乱強度の磁場変化と整合することから、渦糸の動きが止まった「渦糸固体状態」での磁場変化は長距離秩序CDWの応答であると理解できるともしており、これらの結果について研究チームでは、超伝導と競合する性質を持つ長距離秩序CDWとは対象的に、短距離秩序CDWは局所的な超伝導対と共存し、渦糸の形成にも関与する可能性が示されているとしている。

なお、CDWの素性については、まだ不明な点が多く残されており、銅酸化物高温超伝導に普遍的な性質と物質に固有な性質の見極めが重要だという。今回の実験で、シングルショットプローブである高輝度レーザーとパルス超強磁場の組み合わせが、高温超伝導体の電子不均一性の解明に有効であることが示されたことから、研究チームでは今後、超伝導転移温度の高い銅酸化物に対して同手法でCDWの素性を調べることで、超伝導転移機構におけるCDWの普遍的役割が解明されることが期待されるとしている。