高温超電導体鉄ニクタイドにモット絶縁相発現!

ライス大学のCenter for Quantum Materials (RCQM)の物理学者が、高温超電導の微視的起源に関する手掛かりを提供する新し鉄系材料を作り出しました。その材料(鉄、ナトリウム、銅、ヒ素の形成)は、Nature Communications誌の今週号に掲載されました。

純アルゴン雰囲気での原料混合、ニオビウム缶に密閉して1000℃近い温度での焼き上げを含む製法が、鉄と銅が交互ストライプに分離する層状合金を形成します。このストライピングは、高温超伝導の起源を説明する上で、その材料の有用性にとって重要です。

高温超伝導の謎

Copper stripes help iron pnictide lock in insulating state

“By forming this regular pattern, Yu Song has physically removed disorder from the system, and that is crucially important for being able to say something meaningful about what’s going on electronically,” said Si, a theoretical physicist who has worked to explain the origins of high-temperature superconductivity and similar phenomena for nearly two decades.

「”この秩序だったパターン形成によって、ユー・ソン氏は物理的に、その系から不秩序を取り除き、その事が、電子的に何が起きているのかについて、何か有意義なことを言えるようになるのに非常に重要です。”と、20年近くの間、高温超伝導と似たような現象の起源を説明するために研究を続けてきた理論物理学者のサイ氏は言った。」

高温超電導は、1986年に発見されました。それは、ソンの新しい材料のような層状合金で、電子が対になって自由に流れる時に起こります。数十の高温超電導合金が作られてきました。ほとんどが、通常銅か鉄の遷移金属や他の元素を含む複雑な結晶です。高温超電導は、一般的に室温では酷い伝導体で、臨界温度まで冷却された時だけ超電導体になります。

常温(室温)環境ではひどい導電体でも、極低温に冷却されると超電導化するこの高音超伝導体は、今現在、材料物理学の最も熱い研究課題の一つになっています。

高温超伝導の微視的起源

”高温超伝導の中心問題は、これら2つの物質の基本状態とそれらの間の相転移との正確な関係を理解することです。”と、ライス大学の物理学と天文学教授ダイ氏は語った。”巨視的変化は明確なのですが、主に、多くの不確定要素が働いていて、それらの関係が相乗的で非線形の両方である理由から、その振る舞いの微視的起源は解釈が自由になっています。”

室温状態と極低温状態間の相変化(相転移)の微視的起源が謎のままだったようです。

ダイ教授は、2つの学派が、この分野の誕生当初から発展していると言いました。1つは遍歴陣営で、両方の状態が最終的に遍歴電子に起因すると主張しています。何だかんだ言っても、こういった物質は、卑金属(貧金属)であるかもしれませんが金属には変わりありません。もう一つの陣営は局在陣営で、基本的に新しい物理学は、物質が、1つの相から別の相へ遷移する臨界点での電子間相互作用によって生まれると主張しています。

遍歴電子とか何だか素行の悪そうな電子に聞こえます。

ニクタイド(プニクチド)

ダイ氏は、ソン氏の新素材の測定が、局所的な理論を支持していると言いました。具体的に言えば、その新素材は、電子が抵抗無しで自由に動ける超電導相と電子が一箇所に釘付けにされて全く身動きが取れなくなってしまうモット絶縁相の2つの相反する相の間でチューニングが可能なニクタイド(プニクチド)と呼ばれる鉄系超伝導体クラスの最初のメンバーです。

pnictides (pnictide)はプニクチドやニクタイドと呼ばれているみたいです。高温超伝導にしたりモット絶縁体にしたりチューニングが可能な物質のようです。

”ユー・ソン氏の発見は、この物質がより相関的であるということで、そのことは、モット絶縁相の存在により明白です。”とダイ氏は語った。”連続的に超電導相からモット絶縁相にチューニングされることが可能な鉄系超伝導体が報告されたのは今回が初めてです。”

この新素材が超伝導半導体として使えるのかどうかは分かりませんが、使えるとしたら超高性能スパコンが開発されたりすると思われるので期待が持てます。

Samples were made and some tests were performed at RCQM. Additional tests were performed at Chalk River Laboratories’ Canadian Neutron Beam Center in Ontario, the National Institute for Standards and Technology’s Center for Neutron Research in Maryland, Brookhaven National Laboratory in New York, Oak Ridge National Laboratory’s High Flux Isotope Reactor in Tennessee and the Paul Scherrer Institute’s Advanced Resonant Spectroscopies beamline in Switzerland.

「サンプルは、RCQMで作られいくつかのテストが行われました。追加的な試験が、オンタリオにある、チョークリバー研究所のカナダ中性子ビームセンター、メリーランドにある国立標準技術研究所の中性子研究センター、ニューヨークにある、ブルックヘブン国立研究所、テネシーにある、オークリッジ国立研究所の高中性子束同位体生産用原子炉、スイスにある、ポール・シェラー研究所の最先端共鳴分光ビームラインで行われました。」

“In the paper, we showed that if the interaction was weak, then even replacing 50 percent of the iron with copper would still not be sufficient to produce the insulating state,” Si said. “The fact that our experimentalists have managed to turn the system to be Mott insulating therefore provides direct evidence for strong electron-electron interactions in iron pnictides. That is an important step forward because it suggests that superconductivity should be tied up with these strong electron correlations.”

「”研究論文の中で、我々は、相互作用が弱い場合、鉄の半分を銅と置き換えても、それでも絶縁相を作り出すのには不十分であることを明らかにしています。”とサイ氏は言いました。”我々の実験が、その系をモット絶縁にうまく変えている事実が、結果、鉄ニクタイドにおける強い電子間相互作用に対する直接的証拠を提供しています。それは、超電導がこういった強電子相関と関連している事を示唆しているので重要な前進です。”」

高温超伝導の微視的起源が、強い電子・電子相互作用(強電子相関)に関係していることが今回の研究で明らかになったようです。さらに今回の研究で使われた新素材の鉄系ニクタイドが、モット絶縁相と超電導相の間を行き来できるので、超電導・半導体の可能性があるみたいなので(勝手にそう思っているだけですが)、将来有望っぽい感じです。