層状窒化物における高温超伝導の発現機構を担う電子状態の直接観測

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本研究は、従来のBCS理論の枠内に収まらない特異な高温超伝導現象が報告されている層状窒化物系を対象とし、超伝導を担う電子状態を広島大学放射光科学センターの高分解能光電子分光装置で直接観測することを目的としている。本研究で得られる直接的な電子状態の情報は、特異な超伝導が発現する背景や基本的な条件を明らかにして高温超伝導発現機構を解明するための鍵として位置づけられている。本年度においては、リチウムイオンをZrN層の間にインターカレーションして実際に超伝導を示すβ-Li_XZrNClについて測定を行い、超伝導を担う電子状態の直接観測に成功した。昨年度明らかにしたインターカレーション前の絶縁体と比較することで、インターカレーションによって、価電子帯全体のバンド構造は余り変化せず、伝導帯の底に微量の電子が注入されることが明らかになった。インターカレーションによって誘起された電子状態はZrの軌道に由来し、伝導帯の底は価電子帯の頂上から約2.5eVほどエネルギーの高い所に位置しており、六角形のブリルアン・ゾーンの隅に電子ポケットが形成されることがわかった。また、フェルミ・エネルギーが伝導帯の底から測って0.3eV程度と非常に小さく、層状窒化物系における高温超伝導が非常にキャリヤー濃度の薄い状況で発現していることが明らかになった。このような状況では電子相関の影響は小さいと予想される。本結果は、層状窒化物系における高温超伝導現象がエキゾチックであるという見方を支持しており、高い超伝導臨界温度の起源に関して難しい問題を提起している。