理工学部機能創造理工学科の酒井 志朗准教授が協力した研究グループの成果が、Nature Communications誌（現地時間６月３日）に掲載されました。

東京大学物性研究所のJeong Junhyeok大学院生（同大学大学院理学系研究科物理学専攻博士課程）、近藤 猛准教授の研究グループは、酒井准教授、東京理科大学先進工学研究科電子システム工学専攻の榎本 大和大学院生（当時）、同大学先進工学部電子システム工学科の常盤 和靖教授、東京大学物性研究所の小濱 芳允准教授、東京理科大学先進工学部物理工学科の遠山 貴巳教授らの協力のもと、４層型銅酸化物高温超伝導体（注1)の内部に存在する「クリーンな超伝導層」において、伝導を担う電子の数が極めて少ないにもかかわらず、電子同士が極めて強く結びつくという、常識とは異なる現象を観測しました。

研究グループは、単位胞内に超伝導層を４枚持つ４層型銅酸化物高温超伝導体に内在する、乱れから守られた極めて綺麗な超伝導層に着目しました。角度分解光電子分光（注2）測定と量子振動（注3）測定を行うことで、その超伝導層では、反強磁性秩序（注4）を伴いフェルミ面（注5）が極端に小さくなった「小さなフェルミポケット」と呼ばれる、キャリア数が極めて少ない状態が形成されていることを観測しました。

驚くべきことに、その小さなフェルミポケットを担う電子同士が、あらゆる超伝導体の中でも最大級の強さで結びついていることが分かりました。これは、通常の超伝導理論（BCS理論（注6））の範囲を超え、電子対が分子のように局在するBEC的な超伝導状態（注7）へ近づいていることを示しています。

本成果は、高温超伝導の本質が、「キャリアが多い金属状態」ではなく、「キャリアが少なく、強く結びついた量子状態」に潜んでいる可能性を示すものであり、高温超伝導発現機構の理解を大きく前進させる成果です。

詳細は下記のプレスリリースをご覧ください。

（注1）銅酸化物高温超伝導体：

1986年にベドノルツとミューラーがLa-Ba-Cu-O系物質において高い超伝導転移を発見したのを発端に、短期間の内に次々と高い超伝導を示す銅酸化物の類似物質が発見されました。それらを銅酸化物高温超伝導体と呼びます。

（注2）角度分解光電子分光：

物質に光を照射すると、電子（光電子）が試料から真空中へ放出されます。その光電子の運動エネルギー、および脱出角度を調べることによって、物質中の電子のエネルギーと運動量を観測できる（つまり電子構造を決定できる）実験手法です。

（注3）量子振動：

強い磁場を物質に印加すると、不連続（離散的）なエネルギーの準位が形成されます。それを反映し、様々な物理量（電気的および磁気的性質）が磁場の強さと共に振動する振る舞いを量子振動と呼びます。量子振動を観測する事で、フェルミ面に関する詳細な情報が得られます。

（注4）反強磁性秩序：

磁性を持つ電子は通常、小さな磁石のような性質（スピン）を持っています。強磁性体では、それらの向きが同じ方向に揃います。一方、反強磁性秩序では、隣り合う電子のスピンが互いに反対向きに整列します。

（注5）フェルミ面：

物質内の電子が持ち得るエネルギーと運動量の関係を表したものを電子構造と言い、その形状は物質ごとに異なります。電子は低いエネルギー準位から順に占有され、電子が占有する最も高いエネルギーに対応する電子構造の等エネルギー面をフェルミ面と言います。フェルミ面の形や大きさは、物質の電気的性質を決める重要な情報となります。特にその面積から、伝導に寄与するキャリア数を見積もることができます。

（注6）BCS理論：

超伝導を説明する最も基本的な理論であり、1957年にバーディーン（Bardeen）、クーパー（Cooper）、シュリーファー（Schrieffer）によって提唱されました。BCS理論では、電子同士が格子振動（フォノン）を介して弱く引き合い、「クーパー対」と呼ばれる電子対を形成することで超伝導が発現すると説明されます。通常の超伝導体では、この電子対は空間的に大きく広がり、多数の電子対同士が重なり合った状態を形成しています。銅酸化物高温超伝導体では、電子対形成に関与する媒質が何であるかは未解決ですが、BEC的超伝導状態との対比として、このような空間的に広がった電子対による超伝導状態をBCS型超伝導状態と呼びます。

（注7）BEC的な超伝導状態：

電子対が空間的に強く束縛され、分子のように局在した状態で凝縮する超伝導状態を指します。通常の超伝導体を説明するBCS理論では、電子対は空間的に大きく広がり互いに重なり合っています。一方、BEC的超伝導状態では、電子対は小さく強く結びついており、ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）に近い性質を示します。BCS状態からBEC的な超伝導状態へ連続的に変化する現象は「BCS-BECクロスオーバー」と呼ばれ、高温超伝導体において実現しうるかが長年大きな課題となってきました。