発表者
岡根 哲夫（日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門 研究副主幹）
青木 晴善（東北大学大学院理学研究科物理学専攻 教授）
藤森 淳（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 教授）
山上 浩志（京都産業大学大学院理学研究科物理学専攻 教授）
概要
独立行政法人日本原子力研究開発機構（理事長岡﨑俊雄、以下「原子力機構」という。）量子ビーム応用研究部門の 岡根哲夫研究副主幹、国立大学法人東北大学（総長 井上明久）大学院理学研究科物理学専攻の青木晴善教授、国立大学法人東京大学（総長 濱田純一）大学院理学系研究科物理学専攻の藤森淳教授、学校法人京都産業大学（学長 坂井東洋男）大学院理学研究科物理学専攻の山上浩志教授らの共同研究グループは、異常に大きな見かけ上の質量を持つ「重い電子（注1）」が作るフェルミ面（注2）を世界で初めて直接観測することに成功しました。これによって、重い電子が担う電気伝導の性質を様々な金属ごとに判別することを可能にしました。
金 属中の電子は、動き回って電気伝導を担う「遍歴電子」と、動き回らずに磁性を担う「局在電子」に分けられます。この二種類の電子の間に強い相互作用が働い て混じり合うと、見かけ上通常の電子の10～1000倍にも重くなったように見える重い電子が現れます。この重い電子の性質を明らかにすることは、磁性と 共存する超伝導（注3）の 機構解明につながると考えられています。一方、金属は固有の形を持つフェルミ面を必ず持っており、各金属の電気伝導の性質がその形の違いとして表れるた め、フェルミ面は｢金属の顔｣と呼ばれています。もし、重い電子が作るフェルミ面を観測できれば、重い電子が担う電気伝導の性質について金属ごとの相違点 を精密に研究できるようになりますが、重い電子が作るフェルミ面を直接観測した実験はこれまでありませんでした。
今回当研究グループは、大型放射光施設SPring-8の原子力機構専用ビームラインBL23SUにおいて、軟X線放射光を用いた「共鳴角度分解光電子分光」（注4）実 験によって従来の手法ではできなかった特定の電子軌道の選択的観察を行い、重い電子がフェルミ面を実際に作っていることを直接観測することに世界で初めて 成功しました。今後、共鳴角度分解光電子分光法を用いて、重い電子がどのようなフェルミ面を作る時に超伝導や磁性が発現するかを系統的に明らかにしていく ことで、重い電子を持つ金属で見られる磁性と共存する超伝導の機構解明の進展が期待されます。
本研究成果は、米国物理学会誌Physical Review Lettersに平成21年5月27日（オンライン版）に掲載される予定です。
用語解説
- 注1 重い電子
- あ る種の金属化合物では、原子核近傍だけに存在して動き回らない性質の局在電子が、金属中を動き回って電気伝導を担う遍歴電子と相互作用して混じり合うこと で、電気伝導を担うようになることがあります。これは、電気伝導を担う電子の中に動きにくい性質のものが現れることを意味し、その動きにくさにより電子の 見かけ上の質量（有効質量）が通常の10～1000倍に重くなったように観測されます。これを重い電子状態と呼びます。
- 注2 フェルミ面
- 固 体中の電子が取り得るエネルギーと運動量の間の固有の関係を表した曲線をバンド構造と呼びます。バンドの途中までしか電子に占有されない物質は金属となり ますが、このとき、占有された部分と占有されない部分の境界（フェルミ準位）に存在する電子の運動量を運動量空間中に示すと3次元的な形状となります。こ れがフェルミ面です。フェルミ面は電気伝導の性質を特徴づけますが、金属ごとにその形状が異なるため、フェルミ面のことを「金属の顔」と呼ぶことができま す。
- 注3 磁性と共存する超伝導
- 超 伝導とは、物質の電気抵抗がその物質固有の温度以下でゼロになる現象です。超伝導の発現は、格子振動による電子対形成を基本メカニズムと考えるBCS理論 で説明できるというのが定説ですが、1986年の高温超伝導の発見以来、BCS理論では説明できない超伝導物質の探索が盛んに行われてきています。このよ うな新しい超伝導体は、しばしば磁性が発現する領域の境界付近で見つかっていて、磁性と共存している可能性があります。超伝導のメカニズムの基礎である電 子対形成は電子間に働く引力に由来し、磁性は逆に電子間に働く斥力に由来しますから、「磁性と共存する超伝導」というのはとても不思議な現象であり、伝導 と磁性の絡み合う物理現象の最先端領域として注目を集めています。
- 注4 共鳴角度分解光電子分光
- 物 質に高いエネルギーを持つ光を照射すると、物質内部の電子が外部に飛び出てきます。放出される電子（光電子）の個数とエネルギーの関係を調べることにより 物質内の電子状態を調べる実験手法が光電子分光です。さらに光電子の放出角度に対する分布も計測することにより、電子の運動量とエネルギーの関係（バンド 構造）を観測する手法を角度分解光電子分光と呼びます。得られたバンド構造がフェルミ準位をよぎる点を運動量空間で描画すればフェルミ面が得られます。一 方、光のエネルギーを特定の内殻準位への吸収が起こる値に合わせると、内殻吸収の遷移先として選択される一部の軌道からの光電子放出強度だけが選択的に増 強されます。この特定のエネルギーの光を使って角度分解光電子分光を測定する手法が共鳴角度分解光電子分光であり、ある電子軌道だけが強く関与するバンド 構造やフェルミ面を選択的に観測することができます。
