~ポイント1.超伝導転移温度と、超伝導を担う電子対の強さをつなぐ関係式があることを明らかにしました。2.今回発見された関係式は、回転する強い電子対による超伝導機構の核心部分を捉えています。行い、超伝導転移温度と、超伝導を担う電子対の強さをつなぐ関係式があることを明らかにしました。対になっている電子の結合の強さは、超伝導ギャップとして観測され、通常は超伝導転移温度に比例する重要な物理量です。銅酸化物系の高温超伝導では、両者をつなぐ法則が未解明なために、見通しのきかない状況でした。今回発見された関係式は、回転する強い電子対による超伝導機構の核心部分を捉えています。この法則は、高温超伝導による無損失の電線材料や、さらなる高温超伝導物質の開発を導く強力な指針となることが期待されます。Communications』電子版4巻(記事番号:1815)に掲載されました。(2013).http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n5/full/ncomms2805.html本研究は、放射光科学研究センターの共同研究委員会により採択された研究課題の下、実験を行いました。超伝導は、低温で電気抵抗が完全にゼロになる現象として注目されています。高温超伝導体を利用すれば、高価な液体ヘリウムが不要になり、安価な液体窒素(-195.8°C)で超伝導を維持できるため、無損失の電力輸送や電力貯蔵への応用が見込まれています。昨今の電力事情から、地域や時間での電力需給の不一致を解消するための切り札として、高温超伝導技術への期待が高まっています。発見から四半世紀が経過したものの、高温超伝導発現のしくみは未だに明らかではありません。超伝導を担う電子対の強さは、超伝導ギャップとして観測され、通常は超伝導転移温度に比例する重要な物理量です。銅酸化物系の高温超伝導では、両者をつなぐ法則が未解明なために、見通しのきかない状況でした。電子対の角運動量を反映して、波の腹としてギャップが大きく開く方向と、波の節としてギャップの閉じる方向があり、方向によって異なる振る舞いが観測されることが、混乱に拍車をかけていました。この状況を打破するために、超伝導ギャップを、全方位を通じて高い分解能で直接観測する実験が求められていました。Bi2212)について、超伝導ギャップの鮮明な全方位画像を得ることに成功しました。正孔添加量を調節して、超伝導転移温度と超伝導ギャップの変化を調べた結果、ギャップの節での傾きが、超伝導転移温度に比例しており、同時に、ギャップの腹の振幅と超流動密度の平方根の積に比例していることを、明らかにしました。ギャップの腹の振幅が電子対の強さ、節での傾きが超伝導状態の安定性に対応しており、2つの値が乖離することが、標準的な超伝導との違いを示す特徴になっていることがわかりました。得られた法則は、超伝導現象を左右する基本量を、簡潔な形で、定量的に結びつけます。そのため、超伝導現象やボーズ凝縮の基礎研究から、超伝導材料の応用開発におよぶ広い範囲で、今後の活用が見込まれます。本研究成果は、高温超伝導による無損失の電線材料の開発や、さらなる高温超伝導物質の探索の見通しや狙いをつける上で、強力な指針となることが期待されます。光の速度(地球を一秒間に7週半する速さ)までに電子を加速し、磁場でその進行方向を曲げると、同時に進行方向に強力な光が放出される。これがシンクロトロン放射光である。自然界では星雲の中に放射光を見つける事ができるが、地上では専用の加速器が必要である。シンクロトロン放射光は、人類が手に入れた最も強力な光で「夢の光」とも呼ばれる。超伝導は、電気抵抗が完全にゼロになる状態として知られています。この驚くべき状態を担っているのは、秩序をもって運動する電子対の集団です(図1)。電子は、パウリの排他律により、他の電子と同じ動きができません。何らかの原因で電子が2つづつ対を形成すると、その電子対は、近くの電子対と同じ動きをするようになります。低温下で、電子対の集団が足並みをそろえて運動する秩序状態へと転移します。このとき、集団の流れから外れた勝手な行動は抑制され、電子の運動が障害物によって多少邪魔されても、また集団に合わせて動き出します。して、電気抵抗の消失した状態が超伝導相と認識されています。集団の運動状態がひとつにそろうのは、液体ヘリウムの超流動と同じ現象で、ボーズ=アインシュタイン凝縮と呼ばれています。標準的な超伝導転移では、電子対の形成と同時に電子対の凝縮が起きます。対になっている電子の片方を引きはがすのに必要なエネルギーは、超伝導ギャップΔと呼ばれます(図2)。超伝導ギャップΔは、電子対の強さを表す重要な物理量で、通常は超伝導転移温度Tcに比例します。銅酸化物系の高温超伝導では、両者をつなぐ法則が未解明なために、見通しのきかない状況でした。電子対の角運動量を反映して、波の腹としてギャップが大きく開く方向と、波の節としてギャップの閉じる方向があり、方向によって異なる振る舞いが観測されることが、混乱に拍車をかけていました。この状況を打破するために、超伝導ギャップを、全方位を通じて高い分解能で直接観測する実験が求められていました。本研究では、電子を引きはがすのに光電効果を利用しました(図2)。Bi2212)の中で対になっている電子のエネルギーと運動量を実験的に決定し、超伝導ギャップの鮮明な全方位画像を得ることに成功しました(図3)。超伝導ギャップの波形の正孔添加量による変化。