2012年6月22日
左から芝内准教授、桥本氏、松田教授
桥本顕一郎 理学研究科博士後期課程学生（現東北大学 助教）、芝内孝禎 同准教授、松田祐司 同教授らの研究グループは、低温物質科学研究センター、米エイムス研究所、米アイオワ州立大学、米イリノイ大学、英ブリストル大学、および青山学院大学の研究グループと共同で、超伝導状態が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見しました。鉄イオンを含む高温超伝導物質の元素組成比を化学的に変化させたところ、ある組成比に近づくにつれて、超伝導電子の重さが著しく増強されることを実験的に明らかにしました。この結果は超伝導状態の中に、臨界点（特異点）が存在することを直接的に示すもので、これまでの長年の未解決問題に答えを与えるものです。この臨界点の存在は、二つの異なる超伝導状態が絶対零度で存在することを意味しています。さらに、超伝導転移温度は、この臨界点直上で最も高く、本研究成果は高温超伝導発現機構の理解へつながると期待されます。
本研究成果は、米国科学雑誌「厂肠颈别苍肠别」2012年6月22日号に掲载されました。
背景と経纬
物质の温度を変化させると、一つの状态（相）から别の状态（相）に変化します。例えば磁石を暖めると、ある温度において急に磁力が消失してしまいます。このような现象は相転移と呼ばれ、物理学の中心的课题の一つです。相転移の近傍では、均一な状态からのずれ（ゆらぎ）が大きくなりますが、通常これは热によって引き起こされたゆらぎと考えることができます。しかしながら、相転移はこの热ゆらぎの存在しない絶対零度（摂氏マイナス273度）でも、圧力、化学组成など、温度以外のパラメーターを変化させることによって起こすことが出来ます。このとき、その起源は、热ゆらぎではなく、ハイゼンベルグの不确定性原理に由来する量子ゆらぎであり、通常の相転移と区别して量子相転移と呼ばれます。また、量子相転移を起こす、パラメーター空间内の特异点を量子临界点と呼びます。
2008年に日本で発见された鉄イオンを含む新型高温超伝导体は、相転移の一种である反强磁性の相転移温度が絶対零度付近に制御された物质群で、高い転移温度を持ったドーム型の超伝导が出现することがわかっています（図1）。しかしながら、ドーム型の超伝导相ができることで、絶対零度の相転移点（量子临界点）が消失してしまうのか（図1左）、超伝导内部で相転移点が存続しているのか（図1右）が大きな论争になっていました。
図1： 鉄系高温超伝導体の温度－組成相図の概念図。左図では反強磁性相転移が超伝導の出現とともに途切れているのに対し、右図では絶対零度まで延びて量子臨界点（赤丸）を形成している。今回の実験結果で、右図の方が正しいことが明らかとなった。（Science論文Fig.1から抜粋）
内容と意义
超伝导物质では、転移温度Tc以下の温度に冷却すると、电気抵抗がゼロになり电力消费なしに电流を流すことができ、それと同时に磁场を完全に遮蔽することができる性质（マイスナー効果）を示します。この磁场を遮蔽する能力は、「磁场侵入长」λとよばれる物理量で决定づけられます（図2）。磁场侵入长の长さ（通常数十～数百ナノメートル程度）は超伝导电子の密度と重さ（有効质量）と密接な関係があり、超伝导状态を记述する上で最も基本的かつ重要な量となっています。
図2： 磁場侵入長の概念図。超伝導体（太線）に弱い磁場を印加すると表面から磁場が急速に減衰し十分内部では完全に磁場密度が消失した状態（マイスナー状態）となる（左図）。この磁場の侵入の度合いを表す長さが磁場侵入長λとよばれる物理量である（右図）。
今回、研究グループは极低温においてこの磁场侵入长を高精度に测定する手法を开発し、鉄系超伝导体叠补贵别2(As1-xPx)2の纯良単结晶试料を用いて、絶対零度における磁场侵入长について、笔组成比xに対する変化を定量评価することに成功しました。その结果Tcが最大となるx=0.30で磁场侵入长が急峻に长くなることを见出しました（図3）。このことは超伝导电子がこの近辺でのみ急激に重くなることを意味しています。このような结果は他の超伝导体では见つかったことがない惊くべき结果であり、今回非常に纯良な试料を多数の组成比で调べたこと、さらに通常正确な测定の困难な物理量を3种类の异なる実験手法を用いることで系统的に调べたことにより、初めて明らかになったものです。
図3： 鉄系高温超伝導体BaFe2(As1-xPx)2における絶対零度での磁场侵入长λの组成比依存性。縦轴はλ2をプロットしており、超伝导电子の重さに比例する。异なるシンボルは测定手法が异なることを示しており、3种类の异なる测定の结果から再现性を确认している。波线はガイドライン。（厂肠颈别苍肠别论文贵颈驳.2颁から抜粋）
このような絶対零度における磁场侵入长の急激な増大は量子効果によるゆらぎの増大が超伝导电子に影响を及ぼしていることを初めて直接示したものであり、図1右図のように量子临界点が超伝导相内に存在していることを意味するものです。この结果により、今まで论争になっていた二つの超伝导状态が存在することも同时に示されたことになります。さらに、量子临界点でTcが最大になっていることから、量子効果によるゆらぎの増大と超伝导転移温度を高める要因が强く関连していることが示唆されます。本研究成果により、超伝导电子に及ぼす量子ゆらぎの効果の重要性が初めて明らかとなり、今后の研究により高温超伝导発现メカニズムの解明につながることが期待されます。
本研究は、文部科学省新学术领域研究「重い电子系の形成と秩序化」、グローバル颁翱贰「普遍性と创発性が纺ぐ次世代物理学」、および科学研究费补助金の助成を受けました。また、低温物质科学研究センターの研究支援を受けました。
书誌情报
[DOI]
"A Sharp Peak of the Zero-Temperature Penetration Depth at Optimal Composition in BaFe2(As1-xPx)2"
（叠补贵别2(As1-xPx)2の最适组成で観测された絶対零度における磁场侵入长の急峻なピーク构造）
桥本顕一郎1,*, K. Cho2,3, 芝内孝禎1, 笠原成1,4, 水上雄太1, 勝股亮1, 鶴原悠悟1, 寺嶋孝仁4, 池田浩章1, M. A. Tanatar2, 北野晴久5, N. Salovich6, R. W. Giannetta6, P. Walmsley7, A. Carrington7, R. Prozorov2,3, 松田祐司1
所属：1京都大学理学研究科、2エイムス研究所、3アイオワ州立大学、4京都大学低温物质科学研究センター、5青山学院大学、6イリノイ大学、7ブリストル大学、*现东北大学金属材料研究所
Science 22 June 2012: 336(6088), 1554-1557
doi: 10.1126/science.1219821
- 読売新聞（7月16日 16面）に掲載されました。