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ナノスケールで整列する電子を可視化

Fig_01

September, 7, 2021, 東京--理化学研究所創発物性科学研究センターの下志万貴博研究員、東京大学物性研究所およびマテリアルイノベーション研究センターの辛埴特別教授らは、鉄系超伝導体がナノメートルスケールの電子のうねりを形成することを発見した。

固体中の電子が互いの運動に強い影響を及ぼす強相関電子系と呼ばれる物質群では、電子が不思議な模様で整列することがある。この電子の模様を調べることは、電子間に働く力の起源を知ることに繋がるため、固体物理学における重要な課題。近年、電子の集団がある一方向に揃おうとする「電子液晶」状態(ネマティック秩序)が、強相関電子系である鉄系超伝導体で実現していることが指摘されている。しかし、電子の模様を調べるためにはナノメートルの空間分解能を必要とするため、これまで観測することが困難だった。

研究では、鉄系超伝導体として代表的なBaFe2(As0.87P0.13)とFeSeに対して空間分解能に優れたレーザ光電子顕微鏡を用いて、電子の空間分布をナノメートルの精度で可視化した。その結果、波長500nm程度の正弦波(サイン波)で表される電子のうねりが存在することを発見した。一般に固体は電子と結晶格子から構成される。従来の物性理論では、電子と結晶格子が同じ空間スケールの整列パターンを示すと考えられてきた。しかし、観測されたうねりは結晶格子のスケール(数nm)より100倍程度大きな周期であり、結晶格子と独立した電子の波であると考えられる。この研究成果から、電子と結晶格子が異なる整列パターンをとることを可能にする、電子間にだけ働く未知の力が存在すると考えられる。これはネマティック秩序の本質に迫る発見であり、新たな物性理論の枠組みを必要とする。

今後、この研究成果を基にした新たな物性理論の構築や、銅酸化物高温超伝導体のようなネマティック秩序を示す他の物質群への研究展開が期待される。
 研究成果は、Scienceに発表された。
論文タイトル:Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors
著者:T. Shimojima, et al.
DOI番号:10.1126/science.abd6701

(詳細は、https://www.issp.u-tokyo.ac.jp)