共鳴非弾性X線散乱装置で高温超伝導体内部のプラズマ振動を観測：研究開発の最前線

東北大学らは、銅酸化物超伝導体のプラズマ振動の性質を、高輝度放射光による実験で解明した。共鳴非弾性X線散乱装置を使用し、高温超伝導体内部の電子の振動の観測に成功。超伝導発現機構の解明が期待される。

[MONOist]

　東北大学は2025年4月30日、高輝度放射光による実験により、銅酸化物超伝導体のプラズマ振動の性質を解明したと発表した。量子科学技術研究開発機構（QST）、兵庫県立大学、産業技術総合研究所（産総研）、物質・材料研究機構との共同研究によるもので、超電導発現機構の解明や超伝導転移温度（Tc）の引き上げが期待される。

　約−200℃以下の極低温まで金属を冷やすと、電気抵抗がゼロになる超伝導という現象が起こる。この現象は、無損失送電、強力な磁場を使用する医療機器、量子コンピュータの量子ビットなどへの応用が期待されているが、極低温環境が必要という課題がある。

　今回の研究では、産総研が合成した三層系銅酸化物Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀を試料に用いた。銅（Cu）の酸化物から成るセラミック材料のうち、ビスマス（Bi）を含む銅酸化物は−163℃と高いTcを示す。二次元的な銅酸化物層（CuO₂面）が3枚積層する構造のBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀は、二層系や四層系よりもTcが高いことが分かっているが、そのメカニズムは解明されていなかった。

三層系銅酸化物の結晶構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　共鳴非弾性X線散乱（RIXS）は、波長が約1nmから10nmの間の軟X線を試料に照射し、跳ね返ってきた光のエネルギーを調べることで、物質内部の電子の性質を解析する手法だ。研究グループは、QSTの3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuに設置された2D-RIXS装置と、台湾の放射光実験施設Taiwan Photon Sourceのビームライン41Aを用いて、三層系銅酸化物Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀におけるCuO₂面内でのプラズマ振動を高分解能で測定した。

NanoTerasu共用ビームラインBL02Uの共鳴非弾性X線散乱装置（2D-RIXS）。入射X線はビームラインを通って試料に照射される。試料で散乱された出射X線を分光し、スペクトルをCCDで観測する［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　その結果、2つの施設で得られたRIXSスペクトル形状は一致しており、CuO₂面を流れる電荷の集団的な振動に対応するプラズマ振動のピークを観測できた。また、試料角度を回転させてプラズマ振動のピークのエネルギーと運動量の関係（分散関係）を調べると、単層系銅酸化物の場合とは異なり、運動量ゼロで有限のエネルギーを有することが分かった。

NanoTerasuとTaiwan Photon Source（TPS）で得られた三層系銅酸化物のRIXSスペクトルの比較。0.76電子ボルト近傍のピークは電子の集団的なプラズマ振動、2.2電子ボルト近傍のピークは銅の3d電子軌道間の遷移、5.55電子ボルト近傍のピークは酸素の2p軌道から銅の3d軌道への遷移に由来する。異なる2つのRIXS装置で取得したスペクトル形状は3電子ボルト以下でよく一致しており、NanoTerasuの2D-RIXS装置の光学系が設計通り動作していることが実証された［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　同研究では、超伝導と多層系銅酸化物の電子構造との関係について理解を深める上で、重要な鍵となる成果を得られた。また、実験を通じて、軟X線領域の高い光強度と世界最高水準のエネルギー分解能が実証された。これは、NanoTerasuの2D-RIXS装置を使用して得られた初の成果となる。

　研究グループは今後、二層系や四層系、異なる元素を含む銅酸化物へと研究対象を広げ、プラズマ振動と高温超伝導の相関について探究していく。

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