物質・材料研究機構（NIMS）は2018年2月1日、立命館大学らと共同で、鉄系超伝導体探索のもととなる母物質「CaFeAsF」の電子状態を実験的に解明し、ディラック電子と呼ばれる特殊な電子の存在を確認したと発表した。高温超伝導体として有望な鉄系超伝導体が超伝導になる起源解明が期待できるという。
2008年に、東京工業大学の細野教授らが報告した鉄系超伝導体は、高温超伝導体の有力な候補物質として注目され、より高い転移温度を実現するために超伝導発現の機構解明が進められている。超伝導研究では、母物質の一部の元素を置換して新たな超伝導体の探索が行われるため、超伝導発現機構の解明には母物質の電子状態の解明が重要だが、最も高い超伝導転移温度である絶対温度56度を示す1111型と呼ばれる鉄系超伝導体の母物質については、不純物や欠陥の少ない高品質な試料の作製が難しく、電子状態の解明が進んでいなかった。
今回、共同研究チームは、1111型鉄系超伝導体の母物質である「CaFeAsF」について、電子状態の最も重要な指標である、最もエネルギーが大きい電子の状態を示した「フェルミ面」を完全に決定した。中国の研究チームが合成した高品質なCaFeAsF単結晶を使い、NIMSと米国の研究チームが、超低温、強磁場中で量子振動を測定することによりフェルミ面の実験的な観測に成功した。
観測されたフェルミ面は、電子的およびホール的の2種類の円筒状フェルミ面からなり、電気伝導を担うキャリア数が特異に少ないなど、理論的な予測と一致することが、立命館大学による理論研究との比較から確認されたという。さらに量子振動の詳細な解析により、電子的なフェルミ面が、不純物の影響を受けにくく固体中を高速で移動する「ディラック電子」と呼ばれる特別なタイプの電子によるものであることも明らかにした。
今回明らかになった1111型母物質の電子状態は、鉄系超伝導の起源解明にとって重要な基礎的知見となるという。加えて、ディラック電子の存在を確認したことで、超伝導とディラック電子を組み合わせた新たな機能性を持った電子デバイスの開発が期待できるとしている。
