以廣島大學研究生院先進理工系科學研究科博士生宮井雄大、該大學同步輻射科學研究所的島田賢也教授、量子科學技術研究開發機構的岩澤英明項目負責人、高能加速器研究機構（KEK）物質構造科學研究所的小澤健一教授等人為核心的研究團隊，結合使用同步輻射的顯微實驗技術與數據科學方法，全球首次成功地將銅氧化物的高溫超導強度指標——超導間隙，在約10微米的微小尺度上實現了空間不均勻分布現象的視覺化。這一成果在解析引起超導局部變化主要原因方面邁出了重要一步，未來有望通過控制不勻性，為提升銅氧化物等高溫超導材料的性能和明確新超導現象做出貢獻。相關研究成果已發表在期刊《Science and Technology of Advanced Materials》上。
圖1：顯示銅氧化物高溫超導體波數空間中電子存在位置的圖（費米麪）。銅氧化物高溫超導體的超導間隙在（π，π）方向（稱為「節點方向」）上為零，在（π，0）或（0，π）方向（稱為「反節點方向」）上最大（d波對稱）。本研究選擇了超導間隙最大的波數電子並調查了其間距分佈（圖2）（供圖：廣島大學）
圖2 本研究團隊全球首次成功通過選擇和觀測特定電子而得到的顯示銅氧化物高溫超導體在微小表面上存在超導間隙不勻性的圖。（左）使用微聚焦同步輻射的顯微光電子能譜實驗概念圖。（中央）依據不同位置測量的能量分布曲線可以確認超導間隙大小的空間依賴性。在超導間隙的間距分佈圖（右上）和頻率分佈圖（右下）中也可以確認不勻性。（供圖：廣島大學）
為了實現高溫超導體的能源器件，需要開發超導間隙較大且無空間擾動的材料。然而，此前並沒有能精確觀察超導間隙間距分佈的手段，所以對此需求頗高。
研究團隊認為，通過微聚焦同步輻射並進行ARPES測量，可以確立能同時觀察「空間不勻性」和「波動性質各向異性」的實驗技術。此次，研究團隊有效使用KEK所屬光量子工廠的微型ARPES儀，選擇性地觀測了銅氧化物高溫超導體超導間隙最大時的波數方向上的電子。通過提高空間解析度，使數據量比既往實驗增加了數百倍以上，為此研究團隊還同時開發了一種使用數據科學的方法提取並視覺化超導間隙大小的技術。
結果，研究團隊全球首次成功將微米尺度的微小區域中超導間隙最大值在30～40毫電子伏特（meV）之間不均勻現象的視覺化。另一方面，將該現象與通過掃描隧道顯微鏡/掃描隧道光譜（STM/STS）報告的超導間隙值在20～70meV範圍内分佈的不均勻現象比較後發現，本次ARPES測量的超導間隙的不勻性相對較小。
目前已知，銅氧化物高溫超導體存在兩種不同大小的能隙：僅在超導狀態下出現的能隙——較小的「超導間隙」，以及即使在高於超導轉變溫度的高溫狀態下也會出現的能隙——較大的「擬間隙」。考慮到能隙的大小，本次的研究反映了超導間隙的空間不勻性，而STM/STS的研究被認為同時觀測到了超導間隙和擬間隙空間不勻性。也就是說，這是全球首次捕捉到了超導間隙空間不勻性的實驗結果。
此外，得益於所開發的技術，選擇特定波數的電子並實現空間不勻性的視覺化成為了可能。未來，該技術有望加深對銅氧化物高溫超導體中「空間不勻性」和「波動性質各向異性」之間關係的理解，並為揭示銅氧化物的高溫超導機制提供幫助。
研究團隊目前正在KEK所屬光量子工廠、廣島大學同步輻射科學研究所HiSOR、高輝度放射光設施納Nano Terrace等設施推進提升同步輻射高輝度化和微聚煉焦的相關工作。未來，隨著該技術與高輝度、微聚焦同步輻射的融合併進一步向更高級的技術發展，將有望為物質材料科學和應用科學領域做出重大貢獻。該技術預期將成為解明新型超導現象新方法，將會在衆多的研究開發中得到應用。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science and Technology of Advanced Materials
論文：Visualization of spatial inhomogeneity in the superconducting gap using micro-ARPES
DOI: doi.org/10.1080/14686996.2024.2379238
