超伝導体: ディラックコーン状態が対をなす

2011年09月26日

鉄超伝導体として知られるニクタイド化合物は、電子・ホール両方の「ディラックコーン」からなるエネルギー構造を持ち、これが磁気輸送特性に著しい影響を及ぼしている

図1: Ba(FeAs)2の電子バンド構造。丸印はディラックコーンを示している(図は、兼下英司氏の厚意による)。
図1: Ba(FeAs)2 の電子バンド構造。丸印はディラックコーンを示している(図は、兼下英司氏の厚意による)。

 

ディラックコーンは、グラフェンやトポロジカル絶縁体など新しい電子状態をもつ材料の異常なエネルギー構造を理論的に表現する学術用語である。科学者らは、電子のエネルギーと運動量の関係から、ディラックコーン量子状態の存在を予測し、また測定することができる。ニクタイドという鉄系超伝導体化合物が、この特徴的なエネルギー構造を持つことも、そうした研究を通じて確認されている。東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)および同大学理学研究科の谷垣勝己教授らは、今回、ディラックコーン状態がニクタイドの電子輸送特性に及ぼす影響を実証した1

研究者らは、ニクタイドBa(FeAs)2のサンプルを調べた。ニクタイドとグラフェンのディラックコーンには根本的な違いがあり、「グラフェンのディラックコーン状態は単一の『π電子』バンドに由来していますが、Ba(FeAs)2のディラックコーン状態は複数の『d軌道』バンドから作られます」と谷垣教授は説明する。このように、複数のバンドに由来するディラックコーン状態は、物質の種類を変えることで、より多様性に満ちた電子構造になる可能性が高い(図1)。

ディラックコーンについて電子輸送現象で観測できる主な特徴は、サンプルに磁場を印加すると電気抵抗が磁場に比例して変化する「線形磁気抵抗効果」である。印加磁場が特定の「クロスオーバー磁場」よりも強いときには、抵抗と印加磁場の関係は線形関係になり、これよりも弱いときには放物線関係となる。これらの曲線は、ランダウ準位の分裂の影響によるものとして、ランダウにより提唱されているモデルで十分説明できる。磁場を印加すると、電子エネルギーは複数のランダウ準位に分裂する。その最低ランダウ準位では線形磁気抵抗効果を示すが、これはディラックコーン状態の特徴としてよく説明される。磁場を強くするとランダウ準位の分裂幅が大きくなり、すべての電子がこの最低ランダウ準位を占有して、磁気抵抗効果が線形になる。重要なのは、この現象が、既存の磁性体を用いて容易に発生させることのできるほどの弱い磁場で起こりうることである。

データの詳細な分析から、観測された磁気抵抗効果は、片方が電子、もう一方がその反対のホールという2つのディラックコーンの存在に起因することがわかった。この結論は極めて重要であり、今まで予想もされなかった発見である。

谷垣教授のグループは、この結果はより高温の臨界温度を有する超伝導を合成するために重要かもしれないと考えている。新しい化合物を設計してディラックコーン状態の寄与を高めることにより、より高温で超伝導体となる物質が得られる可能性があるからだ。

超伝導への応用の他にも新たな扉を開く可能性がある。「高移動度電界効果トランジスターは、現在はIII-V族半導体の超格子構造を利用して作られていますが、私たちは、ディラックコーン状態をもつ化合物からも作れるようになるだろうと期待しています」と、谷垣教授は言う。また、観測された線形磁気抵抗効果を利用した高感度磁場センサーも作製できるかもしれない。

References

  1. Huynh, K. K.,  Tanabe, Y. & Tanigaki, K. Both electron and hole Dirac cone states in Ba(FeAs)2 confirmed by magnetoresistance. Physical Review Letters 106, 217004 (2011). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。

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