大型放射光施設 SPring-8

公開日

2005年01月18日

平成17年1月18日
日本原子力研究所
東北大学金属材料研究所
財団法人高輝度光科学研究センター

１．背景
　超伝導現象は、マイナスの電荷を持つ電子がお互いに引力を及ぼしあってペアを作る結果として電気抵抗が完全にゼロとなる現象である。1950年代にこの不思議な現象を説明する理論（BCS理論）が提唱され、電子同士に引力を及ぼす原因は、結晶を構成している原子の振動（格子振動）であるということが明らかとなり、BCS機構とよんでいる。超伝導現象の魅力は、室温で超伝導が発現する物質ができると電気エネルギーを全くロスすることなく全世界に配送することが可能となり、エネルギー革命が実現することである。しかし1987年までに発見された超伝導体は、超伝導が発現する温度(T_C)が、最高でも23 K(-250℃)であり、BCS理論も40 Kを越えるものは無いであろうと予測されていた。ところが、1987年にペロブスカイト型銅酸化物で、まずT_Cが約40 Kを示すものが発見され、物性物理学の分野に大きなインパクトを与えた。その後続々とT_Cが40 Kを越える銅酸化物が発見され、現在は約150 KのT_Cを持つものが発見されている。BCS理論ではこのような高い転移温度を持つものはないと予測されていたために、この銅酸化物の超伝導発現には格子振動が媒介しない新しい発現機構が必要であるとして、発見以来20年近く経った今も、物質科学の重要テーマとして研究が行われているが、その発現機構に関しては、未だ確定した見解が得られていない。これまでの有力な発現機構としては、電子同士が強く相互作用しているという強相関電子系であることに起因した電子スピン・電荷の揺らぎ等が重要と考えられている。しかし、それらを示唆する実験事実が多く観測されてはいるが、観測された物理量と超伝導との因果関係が明らかでないために議論が戦わされている。

２．今回の成果
　このような状況の中、我々は銅酸化物超伝導体で最初に発見されたLa_2-XSr_XCuO₄に注目し、Ｘ線非弾性散乱法により格子振動の詳細を測定した。この物質は、図１に示すようにSrの濃度, X, を増やしていくとX=0.04付近から超伝導が発現しT_CはXとともに増大、0.15付近で最大となってからはXの増大とともに逆に減少し、X‾0.3近傍で超伝導が消失する。このようにXを変えることでT_Cを系統的に変化させることができ、この変化に対応して物質のどのような物理量が変化しているのかを実験的に確かめるのに格好の物質である。今回、図２に示すように単結晶でありながら試料の軸方向でXが連続的に変化する試料作成に成功した。Ｘ線非弾性散乱法は、Ｘ線ビームサイズが100ミクロン程度に集光することによって可能となり、Ｘ線が照射される試料位置を制御するだけでXの変化による格子振動の変化の様子を系統的に観測することができた。特に注目した格子振動は、図３に示すようなCu-Oの結合伸縮モードといわれるもので、この格子振動は図４に示すように波数ベクトル、z、（振動の波長の逆数に対応するもので、振動が進む方向の情報も含まれている。）が1から0.5に小さくなると振動のエネルギーが低くなっていくことが観測され（格子振動の分散関係とよばれる。）、低くなる度合はXの値が大きくなるに従って大きくなっていくことが観測された。この各Xにおける振動エネルギーの最大値と最小値の差（ソフト化の大きさ）のX依存性を示したのが図１で、Xの増加とともに大きくなりX=0.15付近で増加傾向が止まっていることが発見された。Xの増加とともにソフト化の大きさが直線的に増加するとの予想に比べれば、斜線で示した領域はそれから明らかに外れており、これを格子振動が異常にソフト化した領域と見ることができる。この形は、同じ図１で示したT_CのX依存性と見事に対応している。すなわち、Xを変えることによってCu-Oの結合伸縮モードのソフト化の大きさが変わり、その結果としてT_Cが変化したと考えることができる。このようにT_Cの変化に一対一の関係を持って変化する物理量が発見されたのは今回が初めてであり、この結果、超伝導発現にはCu-Oの結合伸縮モードの格子振動が重要な働きをしていることを実験的に明らかにしたといえる。これによりスピンあるいは電荷の揺らぎだけでなく格子振動も加わった全く新しい機構の存在の可能性が高まった。
　今回の発見には、（1）濃度傾斜を持つ単結晶の超伝導体の作成に成功したこと、及び（2）高輝度、高エネルギーの第三世代の放射光源を利用することによりＸ線非弾性散乱実験が可能となったことにより、格子振動の系統的な変化を観測できたことが大きく寄与している。

<参考資料>

<用語解説>

酸化物高温超伝導体
　超伝導体とは、ある温度以下で電気抵抗がゼロになる状態を示す物質のことをいい，この温度のことを臨界温度又は超伝導転移温度（T_C）と呼ぶ。超伝導が初めて見いだされたのはT_C＝4.15 K（-269°C）の水銀である。オランダのカマリン・オンネスが1911年に発見した。単一の原子からなる金属では，Pb（鉛），Nb（ニオブ）などがそれぞれ7 K，9 K以下で超伝導体となる。酸化物高温超伝導体とは、銅酸化物を含む色々な物質で発見されたT_Cの高い酸化物の超伝導体のことで，単体元素の超伝導体に比べてがT_Cが高いことが特徴である。1986年にスイスでペトノツとミューラーによって初めて発見された。水銀などを含む銅酸化物では，T_C＝150 Kにもなる。

格子振動
　結晶中の原子（格子）の振動のこと。振動の駆動力は熱であるが、絶対零度においても、不確定性原理から原子（格子）は振動している。

ペロブスカイト型酸化物
　ペロブスカイト型酸化物（下図）はABO₃と表され、周期表にあるほとんどの金属元素がその構成元素となるため、非常に多くの物質が存在する。また、A,Bの組み合わせによって様々な物性（例：強誘電性、超伝導性、プロトン伝導性）を示すため、重要なセラミック材料の一つである。　

放射光Ｘ線非弾性散乱
　物質に入射するＸ線のエネルギーと試料から散乱されるＸ線エネルギーとの差を測定することにより、物質内に存在する励起状態を観測するもので、SPring-8のような第三世代大型放射光Ｘ線が利用できるようになって可能となった実験手段である。

正孔
　固体の結晶構造の中の電子が欠落した部分で、あたかも正の電荷を持った電子のようにふるまう。半導体などでは、この正孔が自由電子とともに電荷の移動を担う「キャリア」としての働きをする。本来、固体中は負の電気量を持った電子で満たされているが、結晶の中に不純物を極少量混ぜる事などにより、電子の欠けた点(正孔)ができる。