超伝導になる電子のカタチが見えた！ 量子ビームで描く次世代材料の設計図

【概要】

大阪大学大学院基礎工学研究科 藤原秀紀助教、中谷泰博さん（当時大学院生）、関山明教授の研究グループは、日本原子力研究開発機構　斎藤祐児　研究主幹、静岡大学 海老原孝雄教授、立命館大学 今田真 教授、甲南大学 山﨑篤志教授、摂南大学 東谷篤志准教授、広島大学 田中新准教授、および理化学研究所　玉作賢治チームリーダーなどとの大型放射光施設SPring-8※２のBL19LXU, BL23SU, BL27SUにおける共同研究により、希土類Ce化合物CeNi2Ge2の超伝導状態を形成する“電子のカタチ”ともいえる、実空間における電荷分布を、高輝度放射光により直接捉えることに世界で初めて成功しました。

今回、藤原助教らの研究グループは、高輝度放射光による硬X線光電子分光※３、X線吸収分光※４の直線偏光依存性※５を測定することにより、超伝導状態の主役であるCeNi2Ge2のCe 4f 電子の電荷分布の方向依存性を精密に決定することに成功しました。
この手法を用いることで超伝導体の系統的な材料探索に道が開かれ、Society 5.0の実現に向けた次世代材料研究の加速が大いに期待できます。

本研究成果は、アメリカ物理学会の「Physical Review B」誌のEditors’ suggestionに選定され、10月13日（金）23時（日本時間）に公開されました。

分野：自然科学系
キーワード： 超伝導、希土類化合物、量子ビーム、対称性、偏光、Society 5.0、SDGs


【用語説明】

※１　希土類Ce化合物超伝導体
希土類元素であるCeを含む化合物は、Ceイオンの内側の4f軌道に主に束縛されているCe 4f電子が電気伝導を担う電子と僅かに結合することで、CeNi2Ge2のように低温で超伝導を示す物質や、磁気秩序を示す物質等、多様な性質を示す物質が多数存在することで知られています。
Ce 4f電子の局在的な性質上、電子の分布に方向依存性があることは、これまであまり議論されませんでした。
本研究ではCe 4f電子軌道のカタチが超伝導の起源を調べる上で非常に重要な役割を示すことが明らかになりました。

※２　大型放射光施設SPring-8
SPring-8（Super Photon ring-8 GeV）は、兵庫県播磨科学公園都市にある理化学研究所の大型放射光施設。
世界最高性能の放射光を生み出すことができ、固体物理、素粒子実験等の基礎科学研究から、バイオ、ナノテクノロジーといった応用研究にまで幅広い研究が行われています。
放射光とは、電子を相対論的速度（光速とほぼ同じ速度）まで加速し、磁石により進行方向が曲げられる際に生じる指向性の強い強力なX線を含む電磁波のことを示します。

※３　硬X線光電子分光
アインシュタインの光量子仮説に基づく外部光電効果を利用して、物質に高いエネルギーの硬X線を照射した際に物質外に飛び出す電子のエネルギーを分析する実験手法。
物質の電子の状態を調べる方法として広く用いられている。電子を取り出してエネルギー分析するため、物質中の電子の状態を直接分析することができます。
近年、産業利用にも急速に広がりつつある手法です。

※４　X線吸収分光
物質にX線を入射するとX線が吸収される現象を利用して、物質の電子の状態を調べる分析手法。吸収係数は電子が詰まっていない状態の電子構造を反映するため、光電子分光と組み合わせて分析することで物質中の電子のエネルギー構造を詳細に調べることができます。

※５　直線偏光依存性
物質に水平方向、垂直方向に電場が振動する直線偏光をもつ光を照射すると、電荷分布を反映して光電子の飛び出しやすさ、吸収係数などの観測量に水平、垂直方向に差が生まれる現象である線二色性のことを指します。