東大ら，モット絶縁体相の電子状態を解明

東京大学と東京理科大学は，銅酸化物高温超伝導体におけるモット絶縁体相の極近傍における電子状態を解明した（ニュースリリース）。

CuO₂の電子状態を空間的に走査し観察すると，電荷が著しく不均一に分布していることが指摘されている。高温超伝導メカニズムの解明には，実験事実と理論予想が包括的に一致する必要があるが，実験の説明を試みる理論は，電荷分布が不均一で乱れのあるCuO₂面を想定していないため，これまで対等な比較ができていなかった。

研究グループは，CuO₂面を6枚持つ多層型銅酸化物高温超伝導体に着目した。この物質は，電荷供給層に隣接しない内側に配置されたCuO₂面を有する。この内側のCuO₂面は，構造的に平らになると同時に，より外側に位置するCuO₂面の遮蔽効果により，電荷供給層からもたらされる空間的に不均一な電荷注入や欠陥の影響から保護されているため，「綺麗な結晶面」が実現する。

また，より内側に位置するCuO₂面ほど電荷供給層から空間的に離れるため，電荷の注入量も減っていく。これまで確立されてきた電子相図によると，微量の電荷をモット絶縁相に注入しただけでは，電荷が反強磁性秩序に囲まれることでエネルギー障壁を感じ，身動きが取れない。その場に居座るにしても，周りから受ける散乱効果によって同じ状態を保てず，電荷の寿命は短くなる。

一方，レーザー光電子分光を用いた電子構造の精密測定，および強い磁場を用いた量子振動測定を行なった結果，注入される電荷が，反強磁性秩序が消える遙か手前の限りなく微量でも，金属的に自由に動き回れることを見出した。

これらの結果は，反強磁性秩序が背後にある場合には電荷が動けない，とする従来の電子相図とは相入れないもの。この研究により，乱れのない綺麗なCuO₂面における電荷の振る舞いを解明し，銅酸化物高温超伝導体におけるより本質的な電子相図を描くことができた。

電子相図は，その物質の電気磁気的性質を表す象徴となるもの。高温超伝導体が発見されてから37年もの間，ありとあらゆる研究がなされ確立したかに見える電子相図が，乱れた系に特化したものであるとなれば，この研究のインパクトは計り知れないとする。

乱れのない理想的なCuO₂面を想定し構築されてきた高温超伝導の理論研究へも大きな波及効果がある。高温超伝導メカニズムの解明は，乱れのないCuO₂面を対象とした上で，実験事実と理論が包括的な一致を見せたときに成されるものと考えられるという。

研究グループは，その最終目的に向けた具体的方向性を示したこの研究により，高温超伝導研究に今後新展開が期待できるとしている。