カゴメ格子超伝導を担う電子軌道を解明 -- 放射光を用いた先端電子計測で照らし出す --

2022年11月14日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科　物理学専攻
助教　中山耕輔（なかやまこうすけ）
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

昨年のノーベル物理学賞でも注目された、特別な三角形?六角形の金属結晶格子(カゴメ格子)の電子状態を先端放射光技術で観察
バナジウムとアンチモンが協力し、超伝導状態になることを発見
超伝導が起きる仕組みの完全解明に手掛かり

【概要】

カゴメ格子^（注１）の「カゴメ」とは「籠目」のことで、三角形や六角形からできる結晶格子で伏見康治博士が命名したことでも知られています。このカゴメ格子を持つ物質は、特殊な電子構造や強い幾何学的フラストレーション^（注２）を示します。フラストレーションはパリージ博士が昨年のノーベル物理学賞を受賞するきっかけにもなった興味深い性質で、様々な新規物性を引き起こす源として期待されます。特に、最近発見されたカゴメ格子金属CsV₃Sb₅（セシウムバナジウムアンチモニド）^（注４）において、カゴメ格子では稀有な超伝導^（注５）をはじめ、高温超伝導体と類似する対称性の低下など、特異な性質が次々と明らかになっています。しかしながら、これらの性質が生じる仕組みは未解明でした。東北大学大学院理学研究科の加藤剛臣大学院生、中山耕輔助教、材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の佐藤宇史教授、多元物質科学研究所の組頭広志教授、分子科学研究所の松井文彦教授、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の北村未歩助教、量子科学技術研究開発機構の堀場弘司上席研究員、北京理工大学の国際共同研究グループは、CsV₃Sb₅の電子構造について放射光を用いた先端分光測定によって調べました。その結果、これまで提案されている超伝導機構のモデルはVの電子だけを考慮したものがほとんどであったのに対して、V電子とSb電子が協力しながら超伝導を実現していることが明らかになりました。この成果は、超伝導機構の解明とより高い温度で超伝導になる物質の設計に重要な指針を与えるものです。

本研究成果は、米国物理学会誌Physical Review Lettersのオンライン版2022年11月10日号で公開されました。

図１　　（a）カゴメ格子と（b）CsV3Sb5の構造の模式図。（a）中の矢印は、位置A、B、Cにおける電子スピンの向きを表しており、Cでは上向きと下向きのどちらにも定まらない、不安定な状態となります（注２*参照）。

【用語解説】

注１）カゴメ格子
　　竹籠の編み目状に原子が配列した結晶構造のことを指します。カゴメ格子は70年以上前に理論的に提案された構造で、幾何学的対称性と物性の関係が注目されてきました。近年、カゴメ格子を持つ現実の物質がいくつか発見され、特異な物性について実験と理論の両面から盛んに研究が進められています。

注２）フラストレーション
　　電子間のスピン（注３）を逆向きに揃える相互作用が働くとき、正三角形に整列した電子同士のスピンを全て逆向きに揃えることはできません。具体的には、図１（a）でA、Bと記した位置にある電子がそれぞれ上向きと下向きのスピンを持つ場合、Cの位置にある電子のスピンは、上向きか下向きのどちらになってもAまたはBの電子スピンと同じ向きになってしまいます。このように幾何学的な配置によって不安定な状態が生じることをフラストレーションと呼びます。カゴメ格子は正三角形を構成要素としているため、幾何学的フラストレーションの効果が強く現れます。

注３）　スピン
　　電子には自転とみなせるような性質があり、スピンと呼ばれています。スピンによって磁石の性質が現れます。スピンには上向きと下向きの2種類の状態があります。

注４） CsV3Sb5
図１（b）に示すように、カゴメ格子を組むV（バナジウム）原子の間にSb（アンチモン）原子が埋め込まれた二次元シートと、Sb原子あるいはCs（セシウム）原子が蜂の巣状に配列した二次元シートが積み重なった層状構造を持つ物質です。超伝導に加えて、電荷の秩序や液晶と類似する電子秩序など、興味深い性質が次々と発見されています。

注５）超伝導
　　電気抵抗が低温でゼロになる現象です。多くの物質で超伝導が発見されており、そのほとんどは、BCS理論と呼ばれる、電子と格子の相互作用を基礎にしたモデルで理解できます。しかし、高温超伝導などの一部の例外と同様に、カゴメ格子における超伝導は、電子と格子の相互作用だけでは説明できない可能性が指摘されており、詳細なメカニズムの解明が重要な課題となっています。

*図２については、下記詳細をご覧ください。

詳細（プレスリリース本文）