Hybridization of Bogoliubov quasiparticles between adjacent CuO layers in the triple-layer cuprate BiSrCaCuO studied by angle-resolved photoemission spectroscopy

出田 真一郎*; Johnston, S.*; 吉田 鉄平*; 田中 清尚*; 森 道康; 安齋 太陽*; 井野 明洋*; 有田 将司*; 生天目 博文*; 谷口 雅樹*; et al.

Physical Review Letters, 127(21), p.217004_1 - 217004_6, 2021/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.217004

Hybridization of Bogoliubov quasiparticles (BQPs) between the CuO layers in the triple-layer cuprate high-temperature superconductor BiSrCaCuO is studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). In the superconducting state, an anti-crossing gap opens between the outer- and inner-BQP bands, which we attribute primarily to interlayer single-particle hopping with possible contributions from interlayer Cooper pairing. We find that the -wave superconducting gap of both BQP bands smoothly develops with momentum without abrupt jump in contrast to a previous ARPES study. Hybridization between the BQPs also gradually increases in going from the off-nodal to the anti-nodal region, which is explained by the momentum-dependence of the interlayer single-particle hopping. As possible mechanisms for the enhancement of the superconducting transition temperature, the hybridization between the BQPs, as well as the combination of phonon modes of the triple CuO layers and spin fluctuations are discussed.

Ce substitution and reduction annealing effects on electronic states in PrCeCuO studied by Cu -edge X-ray absorption spectroscopy

浅野 駿*; 石井 賢司*; 松村 大樹; 辻 卓也; 伊奈 稔哲*; 鈴木 謙介*; 藤田 全基*

Journal of the Physical Society of Japan, 87(9), p.094710_1 - 094710_5, 2018/09

https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.094710

We investigated the Ce substitution and reduction annealing effects on the electronic states at copper sites by Cu -edge X-ray absorption near-edge structure measurements in PrCeCuO (PCCO) with varying and (amount of oxygen loss during annealing). Absorption near-edge spectra were modified by Ce substitution and reduction annealing similarly with increasing and . Considering electron doping by Ce substitution, this similarity indicates an increase in electron number at the copper sites due to annealing (). Furthermore, quantitative analyses of the spectra clarified that the number of Cu sites, corresponding to the induced electron number by Ce substitution increases linearly with in the as-sintered PCCO, whereas is not exactly equal to 2. For each -fixed sample, tends to exceed 2 with increasing , suggesting the emergence of two types of carrier due to annealing.

Observation of momentum-dependent charge excitations in hole-doped cuprates using resonant inelastic X-ray scattering at the oxygen edge

石井 賢司*; 遠山 貴巳*; 浅野 駿*; 佐藤 研太朗*; 藤田 全基*; 脇本 秀一; 筒井 健二*; 曽田 繁利*; 宮脇 淳*; 丹羽 秀治*; et al.

Physical Review B, 96(11), p.115148_1 - 115148_8, 2017/09

AA2017-0402.pdf:0.81MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.115148

We investigate electronic excitations in La(Br,Sr)CuO using resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at the oxygen edge. We observed momentum-dependent spectral weight below 1 eV, which is consistent with theoretical calculation of the dynamical charge structure factor on oxygen orbitals in a three-band Hubbard model. Our results confirm that the momentum-dependent charge excitations exist on the order of the transfer energy (), and the broad spectral line shape indicates damped and incoherent character of the charge excitations at the energy range in the doped Mott insulators.

Doping Momentum dependence of charge dynamics in NdCeCuO (x=0, 0.075, and 0.15) studied by Resonant inelastic X-ray scattering

石井 賢司; 筒井 健二*; 遠藤 康夫*; 遠山 貴己*; 前川 禎通*; Hoesch, M.; 葛下 かおり; 稲見 俊哉; 坪田 雅己; 山田 和芳*; et al.

AIP Conference Proceedings 850, p.403 - 404, 2006/09

https://doi.org/10.1063/1.2354756

共鳴非弾性X線散乱(RIXS)による電子ドープ型高温超伝導体NdCeCuOの電荷励起の研究について報告する。低エネルギーにある電荷励起を観測できるように実験条件を適切にあわせることで、フェルミエネルギーを越えるバンド内励起とバンド間励起を初めて分離することができた。バンド内励起では幅に運動量()依存があるような分散関係が現れるのに対し、バンド間励起では強度がゾーン中央で2eV付近に集中する。これらの実験結果は、ハバードモデルに基づくRIXSスペクトルの理論的な計算と一致している。

Field-induced transition between magnetically disordered and ordered phases in underdoped LaSrCuO

Khaykovich, B.*; 脇本 秀一; Birgeneau, R. J.*; Kastner, M. A.*; Lee, Y. S.*; Smeibidle, P.*; Vorderwisch, P.*; 山田 和芳*

Physical Review B, 71(22), p.220508_1 - 220508_4, 2005/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.220508

高温超伝導体であるLaSrCuOの、弱低ドープであるx=0.144の試料について、磁場中での中性子散乱を行った。結果、零磁場中では観測されないスピン密度波の秩序状態が、3テスラ以上の磁場中で発現することを観測し、磁場により誘起される磁気的秩序状態への磁気相転移が存在することがわかった。この結果は近年の量子相転移の理論でよく説明される。

Mott gap excitations in twin-free YBaCuO ( = 93 K) studied by resonant inelastic X-ray scattering

石井 賢司; 筒井 健二*; 遠藤 康夫*; 遠山 貴己*; 葛下 かおり; 稲見 俊哉; 大和田 謙二; 前川 禎通*; 増井 孝彦*; 田島 節子*; et al.

Physical Review Letters, 94(18), p.187002_1 - 187002_4, 2005/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.187002

共鳴非弾性X線散乱により最適ドープにある高温超伝導体YBaCuO(=93K)の研究を行った。非双晶の結晶を用いることでab面内における異方的なスペクトルを観測することができた。一次元CuO鎖からの励起は方向のゾーン端で2eVあたりに強度が増大するのに対し、1.5-4eVにあるCuO面からの励起は運動量にほとんど依存しない。一次元及び二次元ハバードモデルに基づく理論計算では、異なったクーロンエネルギーを取り入れることで、観測したスペクトルを再現することができる。CuO鎖のモットギャップの大きさはCuO面に比べて小さいことが明らかになった。

Unified theory for magnetic and electric field coupling in multistacked Josephson junctions

町田 昌彦; 酒井 滋樹*

Physical Review B, 70(14), p.144520_1 - 144520_6, 2004/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.144520

高温超伝導体は、その結晶構造が超伝導及び絶縁体(物質によっては半導体や金属)の積層構造からなっており、積層方向に対して弱くジョセフソン結合していることが知られている。また、最近、超伝導体に対するナノファブリケーション技術が発達してきたため、人工的にも積層型のジョセフソン接合が作られるようになっている。本論文では、この積層型ジョセフソン接合の超伝導位相のダイナミクスを記述する理論を構築し、基本方程式を導出した。また、この基本方程式から、超伝導位相の微小振動(プラズマモード)の分散関係を示し、超伝導プラズマモードがどのように励起されるかを示した後、縦プラズマを励起してモード変換により電磁波へと変換可能であること等を議論し、電磁波発振源としての可能性についても記している。

Localized rotating-modes in capacitively coupled intrinsic Josephson junctions; Systematic study of branching structure and collective dynamical instability

町田 昌彦; 小山 富男*

Physical Review B, 70(2), p.024523_1 - 024523_6, 2004/07

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.024523

高温超伝導体の結晶は、超伝導層及び絶縁層(半導体や金属の場合もある)の積層構造からなるため、積層方向に弱くジョセフソン接合していることが知られている。本論文では、この結晶構造に由来するジョセフソン接合(固有ジョセフソン接合と呼ばれる)の特性のうち、物質によって変化する電流電圧特性の違いが何に起因するかを明らかにした。一般にジョセフソン接合は、単一な接合が孤立している場合は、単振り子の運動と等価であることが知られているが、固有ジョセフソン接合は、多数の振り子の結合系であり、特有の非線形局在運動が生じる。本論文では、この非線形局在運動が、系のダイナミクスを支配し、電流電圧特性などの観測量に大きな影響を与えることを示したほか、非線形局在運動の広がりが物質により変化し、これが、物質による電流電圧特性の違いをもたらしていることを明らかにした。

Direct numerical simulations for local superconductivity above upper critical field; Theoretical confirmation of stable precursors

町田 昌彦; 板倉 充洋

Physica C, 392-396(1-4), p.331 - 335, 2003/10

最近、高温超伝導体における超伝導臨界温度以上での超伝導前駆現象が多くの注目を浴びている。しかしながら、多くの理論研究にもかかわらず、その理解は進んでいない。この状況は、高温超伝導体が強い電子相関を持つことから、確立した理論的枠組みが存在しないという事情が大きく関与していると考えられる。そこで、本研究では既に理論的に確立した時間依存のギンツブルクランダウ方程式の枠組みを用いて、上部臨界磁場以上での超伝導秩序パラメータのダイナミクスを大規模数値シミュレーションにより調べた。その結果、この方程式の枠組みの範囲でも超伝導揺らぎを含む系は安定な局所的超伝導状態を上部臨界磁場以上で示すことがわかった。この結果から、上記前駆現象は、高温超伝導体特有の強い電子相関とはあまり関係がなく強い超伝導揺らぎによる可能性が示されたことになる。また、上記結果は超伝導一般の現象の発見であり、全ての第二種型超伝導体において見いだされるものと考えられる。

Vibronic mechanism of high- superconductivity

立木 昌*; 町田 昌彦; 江上 毅*

Physical Review B, 67(17), p.174506_1 - 174506_12, 2003/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.174506

高温超伝導体に対して最近中性子非弾性散乱やSpring8等で実験が行われ、フォノン分散の異常(ソフトニング)が発見されている。また、光電子分光の実験でも電子構造に平坦なバンド構造が見られ、極めて異常な様相が明らかになってきた。本研究では、これらの実験結果をもとに、電荷揺らぎが低エネルギー(60meV程度まで)領域にまでソフト化し、電荷のオーバースクリーニングが起こるという条件を仮定することで、フォノンが非常に強く電子系と結合し、高温超伝導を引起こす強い電子間引力を与えることを発見した。また、その機構のもと、エリアシュベルク方程式を数値的に解き、超伝導ギャップ波動関数を求めた。結果は高温超伝導の特質を再現したため、上記機構が高温超伝導の本質であると結論づけた。