大型放射光施設 SPring-8

公開日

2010年11月15日

2010年11月15日
財団法人　高輝度光科学研究センター

1．研究の背景
　ある金属を絶対零度^※6近くまで冷却したときに、金属の電気抵抗が急激にゼロになる現象が超伝導です。電気抵抗がゼロであるということは、電流を損失なく流すことができます。室温で超伝導になる物質が発見され、その物質が電力送電線などの線材として実用化されれば、電力エネルギー利用の効率化が格段に進みます。
　室温超伝導体の発見に向けて、精力的に研究されている物質は、1980年代に発見された銅酸化物系高温超伝導体と2008年に発見された鉄系高温超伝導体です。銅酸化物系高温超伝導体が超伝導になる温度（超伝導転移温度）は約100K (-173℃)^※6、鉄系高温超伝導体の超伝導転移温度は約50K(-223℃)です。これらの超伝導転移温度は室温には届いていません。しかし、最先端の物理理論をもってしても説明不可能な高温領域にあるため、両物質は高温超伝導体と呼ばれています。この未解決の高温超伝導発現機構の中には室温超伝導体開発につながる重要な鍵が存在すると考えられています。
　最近発見された鉄系高温超伝導体には磁石材料の主成分として知られる鉄が含まれており、超伝導と強磁性（磁石）の相関に関係した基礎研究と応用研究の観点から注目されています。磁石はその周囲に磁力線のループを作りますが、超伝導体は磁力線を超伝導体の外部に弾き出す性質があり、常識的には、超伝導状態と強磁性状態は同じ物質のなかで共存することはないと考えられます(図2)。しかし、不思議なことに、鉄系高温超伝導体の中には、超伝導状態と強磁性状態が共存している物質が発見されました。高温超伝導現象に加えて、超伝導と強磁性の共存という、大変奇怪な物質です。
　図3は今回測定した鉄系高温超伝導体 EuFe₂(As_0.73P_0.27)₂の原子構造です。この物質は鉄-ヒ素(リン)（Fe-As(P)）の層とユウロピウム(Eu)の層の２層構造をしています。超伝導状態と強磁性状態の共存した状態では、鉄-ヒ素（リン）層で超伝導が起こり、ユウロピウム層で強磁性が起こると考えられています。
　本研究で測定した鉄系高温超伝導体 EuFe₂(As_0.73P_0.27)₂の電気抵抗の温度変化を図4に示します。横軸は超伝導体の温度でケルビン（K）^※6で表しています。この超伝導体を冷却していくと温度26K(-247℃)（矢印Ａ）で超伝導状態になります。さらに冷やしていくと18K(-255℃)（矢印Ｂ）で強磁性状態になりますが、その時に電気抵抗が一時的に上昇し、超伝導状態が一旦消失しています。さらに冷却していくと超伝導状態が回復し、超伝導状態と強磁性状態が共存した状態になります。本研究では、温度18Kで強磁性状態の出現と同時に一旦超伝導状態が消失する現象に注目し、高精度の磁気コンプトン散乱測定を行いました。

2．研究内容と成果
　磁気コンプトン散乱実験は大型放射光施設SPring-8の高エネルギー非弾性散乱ビームライン（BL08W）に設置された磁気コンプトン散乱測定装置を用いて行われました。入射X線は175keVの高エネルギー円偏光^※7X線を用いています。測定した試料は多結晶体の EuFe₂(As_0.73P_0.27)₂で、温度5Kから26Kの間で測定しました。
　磁気コンプトン散乱実験から鉄(Fe)とユウロピウム(Eu)のスピン磁気モーメント^※8の温度変化を導きました（図5）。ここでのスピン磁気モーメントの大きさは、その原子の強磁性の度合い（磁石としての強度）に比例します。測定した温度範囲では、ユウロピウム(Eu)のスピン磁気モーメントは鉄(Fe)のスピン磁気モーメントに比べて格段に大きくなっています。これは、この鉄系高温超伝導体で発現する新奇な現象、すなわち、超伝導状態と強磁性状態の共存において、ユウロピウム(Eu)原子が強磁性の役割を担っていることを示しています。一方、鉄(Fe)のスピン磁気モーメントは、超伝導状態が壊れる18Kにおいて、大きな値を示しています。鉄(Fe)は超伝導の役割を担うと考えられていますので、この温度で鉄(Fe)は一時的に超伝導状態を捨て、ユウロピウム(Eu)の影響を受けて強磁性状態になろうとしていると考えられます。すなわち、鉄原子が磁石になることにより、超伝導が消失することを示しています。

3．今後の展開
　この研究成果は、高温超伝導機構、超伝導と強磁性の共存の解明に新しい事実を示したことにより、室温超伝導体の発見に向けて進められている基礎研究に新しい知見をもたらしただけではなく、磁場で超伝導をオン・オフする新しいデバイス開発につながるものと期待されます。これが実現すれば、現在使われているエレクトロニクス製品の中にある半導体デバイスの多くが超伝導デバイスに置き換わり、多くの情報をより高速に処理できるようになると考えられます。

ここで紹介した研究は、日本学術振興会(No.18340111)による科学研究費補助金の助成を受け、SPring-8の利用研究課題として行われました。

4．掲載論文
　題名：Competing Ferromagnetism and Superconductivity on FeAs layers in EuFe₂(As_0.73P_0.27)₂
　日本語訳：EuFe₂(As_0.73P_0.27)₂ のFeAs層における強磁性と超伝導の相反
　著者：Aamir Ahmed, M. Itou, Shenggao Xu, Zhu' an Xu, Guanghan Cao, Y. Sakurai, James Penner-Hahn, and Aniruddha Deb
　ジャーナル名： Physical Review Letters
　発行予定日：2010年11月15日

《参考資料》

《用語解説》
※1　大型放射光施設 SPring-8
　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理化学研究所の施設で、その管理運営はJASRIが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeV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ます。

※2　鉄系高温超伝導体
　2008年に発見された高温超伝導体の一つです。強い磁場は超伝導状態を壊すので、強磁性状態（磁石）になりやすい鉄を主成分として含む高温超伝導体の発見は大きな驚きでした。さらに、鉄系高温超伝導体において強磁性状態と超伝導状態が共存する物質が発見され、その共存機構の解明に向けて研究が進められています。超伝導現象は物質を冷却しないと発現しませんが、「高温」という名称は、従来の超伝導理論では説明できないほど転移温度（超伝導になる温度）が高いという意味で使われています。

※3　磁気コンプトン散乱
　コンプトン散乱は電子とX線光子のビリヤード衝突のような弾性衝突として理解されています。コンプトン散乱後のＸ線光子のエネルギーを測定することで、コンプトン散乱前の電子の運動量（すなわち速度）を計測できます。コンプトン散乱の一手法である磁気コンプトン散乱では、円偏光^※7した入射Ｘ線を用い、かつ電子のスピン（極微小磁石）の向きを超伝導電磁石などの磁場で揃えながら計測することで、スピン磁気モーメント^※8を測定できます。

※4　超伝導
　金属を冷却していくと、絶対零度^※6近くの低温で電気抵抗が急にゼロになる現象のことです。現在確立しているBCS超伝導理論では、約30Kが超伝導転移温度の最高限界と言われています。銅酸化物や鉄系化合物の超伝導体では、この限界を大きく超えているため、高温超伝導体と呼ばれています。

※5　強磁性
　１個の電子は非常に小さな磁石です。この小さな磁石のＮ極とＳ極の向きが揃い、物質全体として大きな磁石としての性質を持つことを強磁性と呼びます。

※6　絶対零度、ケルビン
　物質を冷やすことができる最下限の温度が絶対零度です。この絶対零度を0とした温度目盛りを絶対温度とよび、ケルビン（K）を単位として用います。すなわち、絶対零度は0ケルビン（K）で、使い慣れたセルシウス温度で表すと-273.15℃になります。ちなみに、0℃は絶対温度で273.15Kになります。

※7　円偏光
　光やX線は、電場と磁場とが振動しながら進む横波です。電場や磁場が一周期進む間に、電場の向きが光の進行方向の軸の周りを一回転しながら進む光を円偏光と呼びます。自分に向かって進んでくる光に対して、その発生源の方向を見たときに、光の電場が時間の経過とともに時計回りに回るときを、右円偏光といいます。また、その逆回りを左円偏光といいます。

※8　スピン磁気モーメント
　電子は負電荷を帯びて一定の速さで自転しています。したがって、自転軸の周りに一定の電流が常に流れていて、電子は一定の強度の磁石としての性質を持っています。電子が持っている磁石強度のことをスピン磁気モーメントと呼びます。