以广岛大学研究生院先进理工系科学研究科博士生宫井雄大、该大学同步辐射科学研究所的岛田贤也教授、量子科学技术研究开发机构的岩泽英明项目负责人、高能加速器研究机构（KEK）物质构造科学研究所的小泽健一教授等人为核心的研究团队，结合使用同步辐射的显微实验技术与数据科学方法，全球首次成功地将铜氧化物的高温超导强度指标——超导间隙，在约10微米的微小尺度上实现了空间不均匀分布现象的可视化。这一成果在解析引起超导局部变化主要原因方面迈出了重要一步，未来有望通过控制不均匀性，为提升铜氧化物等高温超导材料的性能和明确新超导现象做出贡献。相关研究成果已发表在期刊《Science and Technology of Advanced Materials》上。
图1：显示铜氧化物高温超导体波数空间中电子存在位置的图（费米面）。铜氧化物高温超导体的超导间隙在（π，π）方向（称为“节点方向”）上为零，在（π，0）或（0，π）方向（称为“反节点方向”）上最大（d波对称性）。本研究选择了超导间隙最大的波数电子并调查了其空间分布（图2）（供图：广岛大学）
图2 本研究团队全球首次成功通过选择和观测特定电子而得到的显示铜氧化物高温超导体在微小表面上存在超导间隙不均匀性的图。（左）使用微聚焦同步辐射的显微光电子能谱实验概念图。（中央）依据不同位置测量的能量分布曲线可以确认超导间隙大小的空间依赖性。在超导间隙的空间分布图（右上）和频率分布图（右下）中也可以确认不均匀性。（供图：广岛大学）
为了实现高温超导体的能源器件，需要开发超导间隙较大且无空间扰动的材料。然而，此前并没有能精确观察超导间隙空间分布的手段，所以对此需求颇高。
研究团队认为，通过微聚焦同步辐射并进行ARPES测量，可以确立能同时观察 “空间不均匀性” 和 “波动性质各向异性” 的实验技术。此次，研究团队有效使用KEK所属光子工厂的微型ARPES仪，选择性地观测了铜氧化物高温超导体超导间隙最大时的波数方向上的电子。通过提高空间分辨率，使数据量比既往实验增加了数百倍以上，为此研究团队还同时开发了一种使用数据科学的方法提取并可视化超导间隙大小的技术。
结果，研究团队全球首次成功将微米尺度的微小区域中超导间隙最大值在30～40毫电子伏特（meV）之间不均匀现象的可视化。另一方面，将该现象与通过扫描隧道显微镜/扫描隧道光谱（STM/STS）报告的超导间隙值在20～70meV范围内分布的不均匀现象比较后发现，本次ARPES测量的超导间隙的不均匀性相对较小。
目前已知，铜氧化物高温超导体存在两种不同大小的能隙：仅在超导状态下出现的能隙——较小的 “超导间隙”，以及即使在高于超导转变温度的高温状态下也会出现的能隙——较大的 “拟间隙”。考虑到能隙的大小，本次的研究反映了超导间隙的空间不均匀性，而STM/STS的研究被认为同时观测到了超导间隙和拟间隙空间不均匀性。也就是说，这是全球首次捕捉到了超导间隙空间不均匀性的实验结果。
此外，得益于所开发的技术，选择特定波数的电子并实现空间不均匀性的可视化成为了可能。未来，该技术有望加深对铜氧化物高温超导体中 “空间不均匀性” 和 “波动性质各向异性” 之间关系的理解，并为揭示铜氧化物的高温超导机制提供帮助。
研究团队目前正在KEK所属光子工厂、广岛大学同步辐射科学研究所HiSOR、高亮度放射光设施纳 Nano Terrace 等设施推进提升同步辐射高亮度化和微聚焦化的相关工作。未来，随着该技术与高亮度、微聚焦同步辐射的融合并进一步向更高级的技术发展，将有望为物质材料科学和应用科学领域做出重大贡献。该技术预期将成为解明新型超导现象新方法，将会在众多的研究开发中得到应用。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science and Technology of Advanced Materials
论文：Visualization of spatial inhomogeneity in the superconducting gap using micro-ARPES
DOI: doi.org/10.1080/14686996.2024.2379238
