阪大ら,超伝導体の電子軌道を量子ビームで可視化

大阪大学,日本原子力研究開発機構 ,静岡大学,立命館大学,甲南大学,摂南大学,広島大学,理化学研究所は,希土類Ce化合物CeNi2Ge2の超伝導状態を形成する電子のカタチともいえる,実空間における電荷分布を,高輝度放射光により直接捉えることに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

これまで,超伝導体の希土類4f電荷分布を明らかにすることは超伝導研究を進める上でも必要不可欠であることが知られていた。しかしながら,超伝導を引き起こす電子の電荷分布を実験から直接決定することは極めて困難だった。

研究グループは,外部光電効果により試料から飛び出す光電子のエネルギーを分析する硬X線光電子分光,およびX線吸収分光に,放射光の偏光可変特性を組み合わせた新たな研究手法を開発し,極低温で超伝導を示す希土類Ce化合物CeNi2Ge2のCe 4f電子軌道の方向依存性の可視化に成功した。

これにより,Ce 4f電子の電荷分布は結晶中のGeに向かって伸びていることが明らかとなり,Geサイトを制御することにより超伝導の性質を制御できる可能性がでてきた。これまでCeNi2Ge2におけるCe 4f電子状態の異方性は議論されていたが,その起源となる電荷分布の直接観測には至っていなかった。この研究結果はCeNi2Ge2におけるCe 4f電荷分布が超伝導の発現に重要な役割を示す実験的な証拠となるという。

さらに,角度分解光電子分光により電子の運動状態を示すバンド構造を測定することにより,方向依存性をもつCe 4f電荷分布が,結晶中のGeイオンの原子軌道によるバンドとよく結合することが明らかになった。

電子軌道のカタチを見ることにより,物質の性質を制御するための設計図を作ることができるようになった。研究グループは,これらは新しい超伝導材料等の物質設計や探索に貢献する技術として期待されるとしている。

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