2025 年 4 月 30 日

各位新聞機(jī)構(gòu)

國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué)

國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)兵

庫(kù)縣公立大學(xué)法人兵庫(kù)縣立大學(xué)

國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所

國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)

【發(fā)表要點(diǎn)】

l將在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中流動(dòng)電子的等離子體振動(dòng)(注 1 )的性質(zhì)，使用 3GeV 高亮度輻射光(注 2 )設(shè)施 NanoTerasu (注 3 )進(jìn)行了說(shuō)明。

l本研究是使用了在 NanoTerasu 的共用光束線上開(kāi)發(fā)的世界最高性能的共振非彈性 x 射線散射( RIXS ) (注 4 )的首次成果。

l期待高溫超導(dǎo)和磁性材料功能的機(jī)理得到闡明。

【概要】

超導(dǎo)是指在某一特定溫度以下，金屬的電阻為零，使電能夠順利流動(dòng)的現(xiàn)象。

由于大多數(shù)超導(dǎo)體只在大約?200℃以下的非常低的溫度下顯示出該性質(zhì)，因此雖

然人們希望在更高的溫度下顯示超導(dǎo)的物質(zhì)，但超導(dǎo)的表達(dá)機(jī)制和提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變

溫度的方針尚不清楚。 通過(guò)詳細(xì)調(diào)查電流和振動(dòng)，有可能得到解決這些課題的線

索。

東北大學(xué)校際科學(xué)前沿研究所的鈴木博人助教等的研究小組通過(guò)與量子科學(xué)技術(shù)

研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)( QST ) NanoTerasu 中心、兵庫(kù)縣立大學(xué)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、物

質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)等的共同研究，闡明了在?163℃下顯示超導(dǎo)的銅氧化物超導(dǎo)體的等

離子體振動(dòng)性質(zhì) 測(cè)量使用了向試樣照射軟 x 射線(注 5 )區(qū)域的放射光，調(diào)查反彈回

來(lái)的光能的共振非彈性 x 射線散射( RIXS )。 本研究在對(duì)高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)機(jī)制提供

知識(shí)的同時(shí)，也證實(shí)了 QST 在 NanoTerasu 的共用光束線上開(kāi)發(fā)的 RIXS 裝置的世界最

高水平的性能。

該研究成果在美國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)行的學(xué)術(shù)雜志 Physical Review B 上發(fā)表 2025年 4 月 21 日刊登了。

使用高亮度放射光闡明高溫超導(dǎo)體中電子的振動(dòng) 期待能成為闡明超導(dǎo)表達(dá)機(jī)制和提高轉(zhuǎn)變溫度的線索

【詳細(xì)說(shuō)明】

研究背景

將金屬冷卻到極低溫后，在某個(gè)溫度下電阻為零，焦耳有時(shí)會(huì)在不產(chǎn)生熱量的情況下通電。

 這種現(xiàn)象被稱為“超導(dǎo)”，有望應(yīng)用于無(wú)電力損耗的輸電、使用強(qiáng)磁場(chǎng)的醫(yī)療器械、量子

計(jì)算機(jī)中的量子比特等各種各樣的應(yīng)用。 但是，許多超導(dǎo)體只能在大約?200℃以下的非常低

的溫度下顯示超導(dǎo)，因此存在需要極低溫環(huán)境的難點(diǎn)。

另一方面，已知由銅( Cu )的氧化物構(gòu)成的陶瓷材料顯示出高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度( Tc )。 其中，含

有鉍( Bi )的銅氧化物顯示出高達(dá) 163℃的 Tc，因此也被用于超導(dǎo)直線新干線的磁懸浮技術(shù)。 

但是，關(guān)于銅氧化物為什么能實(shí)現(xiàn)那么高的 Tc，以及最終能否在室溫常壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)等，在超

導(dǎo)方面還留有很多未解之謎。

銅氧化物高溫超導(dǎo)體在晶體結(jié)構(gòu)中包含二維銅氧化物層( CuO2 面)。 在具有多個(gè) CuO2 面

“多層系銅氧化物”中，已知 Tc 根據(jù)層的數(shù)量而變化，其中具有三個(gè) CuO2 面的物質(zhì)具有非

常高的 Tc。 為了理解其原因，有必要詳細(xì)調(diào)查 CuO2 面內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)和電荷的振動(dòng)(等離子體

振動(dòng))。

這次的措施

此次研究小組使用高亮度輻射光設(shè)施中的共振非彈性 x 射線散射( RIXS )裝置，以高

分辨率觀測(cè)三層系銅氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (圖 1:Sr 為鍶，Ca 為鈣，o 為氧)的等離

子體振動(dòng) RIXS 是將軟 x 射線照射到試樣上，調(diào)查反射回來(lái)的光的能量的方法，是可以

調(diào)查電子的振動(dòng)和晶格的振動(dòng)等在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的各種波的性質(zhì)的最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法。

RIXS 測(cè)量使用了在 3GeV 高亮度放射光設(shè)施 NanoTerasu 的共用光束線上新開(kāi)發(fā)的 2DRIXS 裝置(圖 2 )和位于臺(tái)灣的放射光實(shí)驗(yàn)設(shè)施 Taiwan Photon Source 的光束線 41A。

本測(cè)定中使用的 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 的優(yōu)質(zhì)單晶試樣由產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所合成。 世界

上能合成這種物質(zhì)單晶的研究小組也很有限。

RIXS 測(cè)定結(jié)果是與在 CuO2 面流動(dòng)的電荷的集體振動(dòng)對(duì)應(yīng)的等離子體在明畢觀測(cè)到了振動(dòng)的

峰值(圖 3 )。 兩個(gè)設(shè)施得到的 RIXS 光譜形狀一致，證實(shí)了2D-RIXS 裝置的光學(xué)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)工

作。 旋轉(zhuǎn)試料角度詳細(xì)調(diào)查等離子體振動(dòng)峰值的能量和動(dòng)量的關(guān)系(色散關(guān)系)時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)量為

零，具有有限的能量，與單層系銅氧化物的情況不同。 這個(gè)特異等離子體振動(dòng)可能與作用于

在 CuO2 面流動(dòng)的傳導(dǎo)電子的長(zhǎng)距離的庫(kù)侖排斥力和電子的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)，與三層系統(tǒng)中的

高 Tc 有關(guān)。

今后的發(fā)展

這次的成果對(duì)理解多層系銅氧化物的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)的關(guān)系有很大的線索。 今后，

通過(guò)與 Tc 低于三層系的二層系和四層系的比較，以及向含有不同元素的銅氧化物的

展開(kāi)，將加深對(duì)等離子體振動(dòng)和高溫超導(dǎo)的相關(guān)性的理解。

另外，本研究是首次使用 NanoTerasu 的 2D-RIXS 裝置的成果，證實(shí)了軟 x 射線

區(qū)域的高光強(qiáng)度和世界最高水準(zhǔn)的能量分辨率。 日本國(guó)內(nèi) RIXS 測(cè)定法的確立，

為物質(zhì)科學(xué)研究開(kāi)辟了新的途徑。

領(lǐng)導(dǎo)本研究的鈴木助教說(shuō):“此次獲得的知識(shí)，有望與人工控制的量子材料開(kāi)發(fā)

和具有更高 Tc 的超導(dǎo)體的探索相聯(lián)系。 特別是通過(guò)與近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的鎳氧化物超導(dǎo)

體的比較，有助于對(duì)高溫超導(dǎo)的普遍理解。 另外，通過(guò)應(yīng)用確立的 RIXS 測(cè)定法，

也可以期待其波及到廣泛的物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域?！彼麑?duì)今后的展望如是說(shuō)。

圖 1 .本研究所測(cè)三層系銅氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 的晶體結(jié)構(gòu)。 具有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的二

維 CuO2 面各三個(gè)重疊的結(jié)構(gòu)。

圖 2. NanoTerasu 共用光束線 BL02U 的共振非彈性 x 射線散射裝置( 2D- RIXS )。 入射

x 射線通過(guò)光束線照射到試樣上。 對(duì)試料散射的出射 x 射線進(jìn)行分光，用 CCD 觀測(cè)光

譜。

圖 3 . N a n o T e r a s u 和 T a i w a n P h o t o n S o u r c e ( T P S ) 獲 得 的

B i 2 S r 2 C a 2 C u 3 O 1 0 的 R I X S 光 譜 比 較 。 圖 示 了 各 個(gè) 峰 值 的 起 源 。

0 . 7 6 電 子 伏 附 近 的 峰 來(lái) 自 電 子 的 集 體 等 離 子 體 振 蕩 ， 2 . 2 電 子 伏 附 近

的 峰 來(lái) 自 銅 的 3 d 電 子 軌 道 間 的 躍 遷 ， 5 . 5 5 電 子 伏 附 近 的 峰 來(lái) 自 氧 的

2 p 軌道向銅的 3 d 軌道的躍遷。 兩個(gè)不同的 R I X S 裝置獲取的光譜形狀

在 3 電子伏以下非常一致，證實(shí)了 N a n o T e r a s u 的 2 D - R I X S 裝置的光學(xué)

系統(tǒng)按設(shè)計(jì)工作。

【謝辭】

本 研 究 由 J S P S 科 學(xué) 研 究 費(fèi) 資 助 事 業(yè)

( J P 1 9 H 0 5 8 2 3 、J P 2 0 H 0 1 8 5 6 、J P 2 2 K 1 3 9 9 4、J P 2 2 K 0 3 5 3 5 )、量研

-東北大學(xué)匹配研究支援事業(yè)、東北大學(xué)

-產(chǎn)業(yè)綜合研究所匹配研究支援事業(yè)、mexttheworldpremierinternational

research center initiative ( wpi ) 、 nims-mana short-term

invitation program 的支援 共振非彈性 x 射線散射實(shí)驗(yàn)涉及 TaiwanPhoton

Source 一般利用課題( 2022-2-010-1、2023-2-035 )、及 NanoTerasu 共用

束線試驗(yàn)性共用課題( "通過(guò)觀測(cè)銅氧化物高溫超導(dǎo)體的集體激勵(lì)進(jìn)行的 RIXS

【用語(yǔ)】

注 1 .等離子體振動(dòng):指在金屬中流動(dòng)的大量電子產(chǎn)生的振動(dòng)。 與作為空氣振動(dòng)

而傳遞的聲音相似。

注 2 .放射光:指以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的電子在前進(jìn)方向被磁鐵等彎曲時(shí)產(chǎn)生的

具有連續(xù)能量的光。 NanoTerasu (仙臺(tái)市)和 Taiwan Photon Source (臺(tái)灣

新竹市)等輻射光設(shè)施由將電子加速到 3 千兆電子伏( 3GeV )的電子同步加速

器和通過(guò)磁場(chǎng)彎曲電子軌道生成輻射光的插入光源構(gòu)成。

注 3。 3GeV 高亮度放射光設(shè)施 NanoTerasu (納米平臺(tái)) :是根據(jù)國(guó)家主體機(jī)關(guān)

國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和地區(qū)伙伴代表機(jī)關(guān)一般財(cái)團(tuán)法

人光科學(xué)創(chuàng)新中心的官民地區(qū)伙伴關(guān)系的新框架進(jìn)行整備·運(yùn)營(yíng)的特定尖端大

型研究設(shè)施 這是國(guó)內(nèi)首次采用最新圓形加速器設(shè)計(jì)的第 4 代輻射光設(shè)施，實(shí)現(xiàn)

了比以往高 100 倍的高亮度化和高相干化，從而除了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析外，還可

以詳細(xì)分析影響功能的“電子狀態(tài)”、“動(dòng)力學(xué)”等。

注 4 .共振非彈性 x 射線散射( RIXS ) :指根據(jù)試料中所含化學(xué)元素的吸收邊照

射軟 x 射線，調(diào)查散射出來(lái)的光的能量的光 譜法。 RIXS 是 resonant

inelastic x-ray scattering 的簡(jiǎn)稱。 對(duì)調(diào)查物質(zhì)內(nèi)部的電子性質(zhì)很有用，

世界的輻射光設(shè)施正在進(jìn)行提高裝置性能的激烈競(jìng)爭(zhēng)。 對(duì)于 2D-RIXS 裝置

(圖 2 )，QST 于 2024 年 9 月 18 日表示:“逼近物質(zhì)的未知行為！ 新一代分析

技術(shù)下能源刷新分辨率世界記錄~NanoTerasu 從 2025 年 3 月開(kāi)始成為世界最先進(jìn)的

進(jìn)行了題為“共用分析裝置~”的新聞發(fā)布會(huì)。

引用 URL:htTPS://www.qst.go.jp/site/press/2024 09 18.html

注 5 .軟 X 射線:波長(zhǎng)約 1 納米至 10 納米之間的光。

【論文信息】

標(biāo)題: out-of-phase plasm on excitations in the trilayer cup rate bi2Sr 2c

a2 cu3o 10 +

作者: S. Nakata，M. Bejas，J. Okamoto，K. Yamamoto，D. Shiga，R.

Takahashi，h..Y. Huang、H. Kumigashira、H. Wadati、J. Miyawaki、S. Ishida、H. Eisaki、A.Fujimori、A. Greco，*H. Yamase，D. J. Huang，and *H. Suzuki

*責(zé)任作者:物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)主干研究員山瀨博之

*責(zé)任作者:東北大學(xué)跨學(xué)科科學(xué)前沿研究所 助教 鈴木博人