モット転移の本質が明らかに

高温超伝導のメカニズム解明に向けて大きく前進

2012.02.15

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMSの国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) の河野 昌仙 MANA研究者は、電子相関によって生じる絶縁体への金属絶縁体転移 (モット転移) の本質を理論的に明らかにし、高温超伝導体で観測されている様々な異常な振る舞いをモット転移近傍の性質として統一的に説明することに成功した。この研究により、高温超伝導のメカニズム解明に向けて大きく前進した。

概要

  1. 独立行政法人 物質・材料研究機構 (理事長:潮田 資勝, 以下NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長:青野 正和、MANA) の河野 昌仙 MANA研究者は、電子相関 (電子間の反発力) によって生じる絶縁体への金属絶縁体転移 (モット転移) の本質を理論的に明らかにした。そして、高温超伝導体で観測されている様々な異常な振る舞いをモット転移近傍の性質として統一的に説明することに成功した。この研究により、高温超伝導のメカニズム解明に向けて大きく前進した。
  2. 超伝導体は、電気抵抗なく電気を流すことができるので、環境エネルギー問題を解決する有力な材料として期待されている。しかし、これまで得られている超伝導体の超伝導転移温度は低いため、実用化は限定的なものとなっている。より高い転移温度をもつ超伝導体を得るためには、高温超伝導のメカニズムを解明することが重要となる。高温超伝導はモット転移近傍で実現することが知られており、モット転移近傍の異常な振る舞いの理解が高温超伝導のメカニズム解明の鍵を握っていると考えられている。
  3. モット転移によって生じる絶縁体 (モット絶縁体) では、電子のスピンは動くことができるが電荷は動くことができない。従来の金属の理論の枠組みではモット絶縁体の示すスピンと電荷の分離を正確に取り扱うことはできなかった。今回の研究では、スーパーコンピューターを用いて得られた数値データに対して1次元系の厳密解の解析を応用することにより、スピンと電荷の自由度がモット転移に向けて分離する兆候が2次元系でも現れ、それがモット転移近傍の異常な振る舞いを引き起こしていることが明らかになった。従来の概念では異常と思われてきた振る舞いは、今回の新概念によって2次元系の単純なモデルのモット転移近傍の性質として自然にかつ統一的に理解できることとなった。今回の研究では高温超伝導のメカニズム解明には至っていないが、高温超伝導の研究において最も問題となっていた異常な振る舞いの謎が解け、メカニズム解明への道筋が開けた。
  4. 本研究成果は、文部科学省の科研費・基盤研究 (C) 「モット転移近傍における電子状態の研究」 (研究代表者 : 河野 昌仙) 、科研費・特定領域「フラストレーションが創る新しい物性」 (領域代表者 : 川村 光・大阪大学教授) 、世界トップレベル研究拠点プログラム (WPI) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) (拠点長 : 青野 正和) の一環として得られた。数値計算はNIMSのスーパーコンピューターを使用して行った。本研究成果は米国物理学会の論文誌 Physical Review Letters (オンライン版) に2月15日公開される。
「プレス資料中の図1.2次元ハバードモデルのモット転移近傍の1電子励起のスペクトル強度分布A(k,ω)t。強度の大きな部分は、通常の電子としての性質が強いことを表す。左図の縦軸は励起エネルギーω (ω>0では電子を加える励起の励起エネルギー、ω<0 では電子を取り除く励起の励起エネルギーに負号をつけたもの) をホッピングの強さt (>0) で割ったものを示し、横軸は波数k を示す。左図の右パネルは1電子励起の状態密度A(ω)t を示す。右図はω≈0 のスペクトル強度の分布を示す。」の画像

プレス資料中の図1.2次元ハバードモデルのモット転移近傍の1電子励起のスペクトル強度分布A(k,ω)t。強度の大きな部分は、通常の電子としての性質が強いことを表す。左図の縦軸は励起エネルギーω (ω>0では電子を加える励起の励起エネルギー、ω<0 では電子を取り除く励起の励起エネルギーに負号をつけたもの) をホッピングの強さt (>0) で割ったものを示し、横軸は波数k を示す。左図の右パネルは1電子励起の状態密度A(ω)t を示す。右図はω≈0 のスペクトル強度の分布を示す。