阪大ら,鉄系超伝導体に電子軌道スイッチを発見

大阪大学,東京大学,東北大学は,はしご構造をもつ鉄系超伝導体である硫化鉄化合物BaFe2S3において,これまでその起源が未解明であったわずかに電気伝導性が良くなる現象が,ある電子軌道から別の電子軌道へ入れ替わる”軌道スイッチング”に由来していることを明らかにした(ニューリリース)。

2008年に日本において発見された鉄系高温超伝導体は,その超伝導発現機構をめぐって現在も精力的に研究されており,その謎を紐解くカギとして電子の持つ磁性や軌道が重要であると考えられてきた。

この電子の持つ磁性や軌道によって高温超伝導以外にも磁気秩序や軌道秩序などのさまざまな新奇量子現象があらわれる。今回の研究では鉄系高温超伝導体の中でも,鉄原子がはしご状に2列に直線的に並んだ構造を持つ硫化鉄化合物BaFe2S3に注目した。この物質は電子同士の相互作用が非常に強く働いており,もともと絶縁体に近い電気伝導性を示すが,圧力を加えることで金属化して高温超伝導が現れることが報告されている。

このBaFe2S3という物質では-90℃あたりで電気伝導性が良くなる兆候が見られることから,何らかの電子状態変化の存在が示唆されてきた。しかしながら,磁気的な性質も結晶の構造にも大きな変化が見られないため電子の軌道状態に何らかの変化が起きていると推測されるものの,その起源は謎のままだった。

研究グループが,磁場を様々な方向に加えたり,物質を歪ませたりした際の応答を詳細に調べた結果,未知の電子状態変化がある領域において,磁場の向きや歪みに対する応答が小さくなることがわかり,電子状態変化の存在を明らかにした。

さらにこの振る舞いから,もともとはしごの脚方向に鉄アレイのように延びていた電子軌道が,はしごの足掛け方向に広がる四つ葉のクローバー型の電子軌道に切り替わりつつあることを解明した。この軌道の切り替えを通じて電子軌道が空間的に広がることによって,電気伝導性が良くなることも説明できると考えられるという。

この成果により,電子軌道が別の軌道へ切り替わる軌道スイッチングが起こることで物性が変わることを明らかにした。現代社会においてスマートフォンやパソコンなどの電子デバイスは欠かせないものとなったが,主に電子の電荷や磁気的な性質を応用されている。この研究により発見された軌道スイッチングの存在は,電子の軌道を制御することで新しい機能デバイスの設計につながることを期待させるものだとしている。

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