|
2025 年 4 月 30 日 各位新闻机构 国立大学法人东北大学 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构兵 库县公立大学法人兵库县立大学 国立研究开发法人产业技术综合研究所 国立研究开发法人物质材料研究机构 【发表要点】 l将在铜氧化物高温超导体中流动电子的等离子体振动(注 1 )的性质，使用 3GeV 高亮度辐射光(注 2 )设施 NanoTerasu (注 3 )进行了说明。 l本研究是使用了在 NanoTerasu 的共用光束线上开发的世界最高性能的共振非弹性 x 射线散射( RIXS ) (注 4 )的首次成果。 l期待高温超导和磁性材料功能的机理得到阐明。 【概要】 超导是指在某一特定温度以下，金属的电阻为零，使电能够顺利流动的现象。 由于大多数超导体只在大约−200℃以下的非常低的温度下显示出该性质，因此虽 然人们希望在更高的温度下显示超导的物质，但超导的表达机制和提高超导转变 温度的方针尚不清楚。 通过详细调查电流和振动，有可能得到解决这些课题的线 索。 东北大学校际科学前沿研究所的铃木博人助教等的研究小组通过与量子科学技术 研究开发机构( QST ) NanoTerasu 中心、兵库县立大学、产业技术综合研究所、物 质材料研究机构等的共同研究，阐明了在−163℃下显示超导的铜氧化物超导体的等 离子体振动性质 测量使用了向试样照射软 x 射线(注 5 )区域的放射光，调查反弹回 来的光能的共振非弹性 x 射线散射( RIXS )。 本研究在对高温超导的发现机制提供 知识的同时，也证实了 QST 在 NanoTerasu 的共用光束线上开发的 RIXS 装置的世界最 高水平的性能。 该研究成果在美国物理学会发行的学术杂志 Physical Review B 上发表 2025年 4 月 21 日刊登了。 使用高亮度放射光阐明高温超导体中电子的振动 期待能成为阐明超导表达机制和提高转变温度的线索 【详细说明】 研究背景 将金属冷却到极低温后，在某个温度下电阻为零，焦耳有时会在不产生热量的情况下通电。 这种现象被称为“超导”，有望应用于无电力损耗的输电、使用强磁场的医疗器械、量子 计算机中的量子比特等各种各样的应用。 但是，许多超导体只能在大约−200℃以下的非常低 的温度下显示超导，因此存在需要极低温环境的难点。 另一方面，已知由铜( Cu )的氧化物构成的陶瓷材料显示出高的超导转变温度( Tc )。 其中，含 有铋( Bi )的铜氧化物显示出高达 163℃的 Tc，因此也被用于超导直线新干线的磁悬浮技术。 但是，关于铜氧化物为什么能实现那么高的 Tc，以及最终能否在室温常压下实现超导等，在超 导方面还留有很多未解之谜。 铜氧化物高温超导体在晶体结构中包含二维铜氧化物层( CuO2 面)。 在具有多个 CuO2 面 “多层系铜氧化物”中，已知 Tc 根据层的数量而变化，其中具有三个 CuO2 面的物质具有非 常高的 Tc。 为了理解其原因，有必要详细调查 CuO2 面内电子的运动和电荷的振动(等离子体 振动)。 这次的措施 此次研究小组使用高亮度辐射光设施中的共振非弹性 x 射线散射( RIXS )装置，以高 分辨率观测三层系铜氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (图 1:Sr 为锶，Ca 为钙，o 为氧)的等离 子体振动 RIXS 是将软 x 射线照射到试样上，调查反射回来的光的能量的方法，是可以 调查电子的振动和晶格的振动等在物质内部产生的各种波的性质的最先进的实验方法。 RIXS 测量使用了在 3GeV 高亮度放射光设施 NanoTerasu 的共用光束线上新开发的 2DRIXS 装置(图 2 )和位于台湾的放射光实验设施 Taiwan Photon Source 的光束线 41A。 本测定中使用的 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 的优质单晶试样由产业技术综合研究所合成。 世界 上能合成这种物质单晶的研究小组也很有限。 RIXS 测定结果是与在 CuO2 面流动的电荷的集体振动对应的等离子体在明毕观测到了振动的 峰值(图 3 )。 两个设施得到的 RIXS 光谱形状一致，证实了2D-RIXS 装置的光学系统按设计工 作。 旋转试料角度详细调查等离子体振动峰值的能量和动量的关系(色散关系)时，发现动量为 零，具有有限的能量，与单层系铜氧化物的情况不同。 这个特异等离子体振动可能与作用于 在 CuO2 面流动的传导电子的长距离的库仑排斥力和电子的运动方式有关，与三层系统中的 高 Tc 有关。 今后的发展 这次的成果对理解多层系铜氧化物的电子结构和超导的关系有很大的线索。 今后， 通过与 Tc 低于三层系的二层系和四层系的比较，以及向含有不同元素的铜氧化物的 展开，将加深对等离子体振动和高温超导的相关性的理解。 另外，本研究是首次使用 NanoTerasu 的 2D-RIXS 装置的成果，证实了软 x 射线 区域的高光强度和世界最高水准的能量分辨率。 日本国内 RIXS 测定法的确立， 为物质科学研究开辟了新的途径。 领导本研究的铃木助教说:“此次获得的知识，有望与人工控制的量子材料开发 和具有更高 Tc 的超导体的探索相联系。 特别是通过与近年来发现的镍氧化物超导 体的比较，有助于对高温超导的普遍理解。 另外，通过应用确立的 RIXS 测定法， 也可以期待其波及到广泛的物质科学领域。”他对今后的展望如是说。 图 1 .本研究所测三层系铜氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 的晶体结构。 具有发现超导的二 维 CuO2 面各三个重叠的结构。 图 2. NanoTerasu 共用光束线 BL02U 的共振非弹性 x 射线散射装置( 2D- RIXS )。 入射 x 射线通过光束线照射到试样上。 对试料散射的出射 x 射线进行分光，用 CCD 观测光 谱。 图 3 . N a n o T e r a s u 和 T a i w a n P h o t o n S o u r c e ( T P S ) 获 得 的 B i 2 S r 2 C a 2 C u 3 O 1 0 的 R I X S 光 谱 比 较 。 图 示 了 各 个 峰 值 的 起 源 。 0 . 7 6 电 子 伏 附 近 的 峰 来 自 电 子 的 集 体 等 离 子 体 振 荡 ， 2 . 2 电 子 伏 附 近 的 峰 来 自 铜 的 3 d 电 子 轨 道 间 的 跃 迁 ， 5 . 5 5 电 子 伏 附 近 的 峰 来 自 氧 的 2 p 轨道向铜的 3 d 轨道的跃迁。 两个不同的 R I X S 装置获取的光谱形状 在 3 电子伏以下非常一致，证实了 N a n o T e r a s u 的 2 D - R I X S 装置的光学 系统按设计工作。 【谢辞】 本 研 究 由 J S P S 科 学 研 究 费 资 助 事 业 ( J P 1 9 H 0 5 8 2 3 、J P 2 0 H 0 1 8 5 6 、J P 2 2 K 1 3 9 9 4、J P 2 2 K 0 3 5 3 5 )、量研 -东北大学匹配研究支援事业、东北大学 -产业综合研究所匹配研究支援事业、mexttheworldpremierinternational research center initiative ( wpi ) 、 nims-mana short-term invitation program 的支援 共振非弹性 x 射线散射实验涉及 TaiwanPhoton Source 一般利用课题( 2022-2-010-1、2023-2-035 )、及 NanoTerasu 共用 束线试验性共用课题( "通过观测铜氧化物高温超导体的集体激励进行的 RIXS 【用语】 注 1 .等离子体振动:指在金属中流动的大量电子产生的振动。 与作为空气振动 而传递的声音相似。 注 2 .放射光:指以接近光速的速度运动的电子在前进方向被磁铁等弯曲时产生的 具有连续能量的光。 NanoTerasu (仙台市)和 Taiwan Photon Source (台湾 新竹市)等辐射光设施由将电子加速到 3 千兆电子伏( 3GeV )的电子同步加速 器和通过磁场弯曲电子轨道生成辐射光的插入光源构成。 注 3。 3GeV 高亮度放射光设施 NanoTerasu (纳米平台) :是根据国家主体机关 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构和地区伙伴代表机关一般财团法 人光科学创新中心的官民地区伙伴关系的新框架进行整备·运营的特定尖端大 型研究设施 这是国内首次采用最新圆形加速器设计的第 4 代辐射光设施，实现 了比以往高 100 倍的高亮度化和高相干化，从而除了物质结构的分析外，还可 以详细分析影响功能的“电子状态”、“动力学”等。 注 4 .共振非弹性 x 射线散射( RIXS ) :指根据试料中所含化学元素的吸收边照 射软 x 射线，调查散射出来的光的能量的光 谱法。 RIXS 是 resonant inelastic x-ray scattering 的简称。 对调查物质内部的电子性质很有用， 世界的辐射光设施正在进行提高装置性能的激烈竞争。 对于 2D-RIXS 装置 (图 2 )，QST 于 2024 年 9 月 18 日表示:“逼近物质的未知行为！ 新一代分析 技术下能源刷新分辨率世界记录~NanoTerasu 从 2025 年 3 月开始成为世界最先进的 进行了题为“共用分析装置~”的新闻发布会。 引用 URL:htTPS://www.qst.go.jp/site/press/2024 09 18.html 注 5 .软 X 射线:波长约 1 纳米至 10 纳米之间的光。 【论文信息】 标题: out-of-phase plasm on excitations in the trilayer cup rate bi2Sr 2c a2 cu3o 10 + 作者: S. Nakata，M. Bejas，J. Okamoto，K. Yamamoto，D. Shiga，R. Takahashi，h..Y. Huang、H. Kumigashira、H. Wadati、J. Miyawaki、S. Ishida、H. Eisaki、A.Fujimori、A. Greco，*H. Yamase，D. J. Huang，and *H. Suzuki *责任作者:物质材料研究机构主干研究员山濑博之 *责任作者:东北大学跨学科科学前沿研究所 助教 铃木博人 |
|
|
