東京大学と理化学研究所の研究グループは2021年9月3日、鉄系超伝導体における電子の空間分布をナノメートルの精度で可視化することに成功し、鉄系超伝導体がナノメートルスケールの電子のうねりを形成することを発見したと発表した。研究成果は同日（米国東部時間）、『Science』誌オンライン版で公開された。
研究グループは、レーザー光電子顕微鏡装置を用いて、代表的な鉄系超伝導体である BaFe2(As1–xPx)とFeSeのネマティック秩序に対して線二色性イメージングを行った。ネマティック秩序を示す電子の空間分布はバンド構造に現れる電子軌道の異方性を指標にして調べることが可能で、光電子顕微鏡を使えば、バンド構造の変化をナノメートル程度の空間分解能で調べられる。これによって、電子の空間分布をナノメートルの精度で可視化した。
その結果、試料表面を覆う最も細かい構造でも波長が500nmに及ぶ正弦波状の電子のうねりを発見した。
図：ネマティック秩序における電子と結晶格子の模式図
(A) ネマティック秩序の模式図 (B) 本研究の観測結果の模式図 (C)従来の物性理論による予想
鉄系超伝導体のネマティック秩序では、電子と結晶格子が共に異方性を示す。結晶格子はドメイン構造を示し、その切り替わり（ドメイン壁）は原子レベルの5 nm以下で、矩形波的な空間パターンとなることが確認されている。ところが、今回の手法で観測された電子軌道の空間変調は、それよりも100倍程度大きな空間スケールを示した。
従来の物性理論では、電子と結晶格子の結びつきによって、電子の空間パターンも格子と同調して変化すると考えられている。しかし、観測されたうねりは波長500nm超の正弦波を示し、結晶格子が示す5nmの矩形波とは異なっているため、この描像は成り立たない。
研究グループは、今回発見されたうねりから、結晶格子の構造に追従しない要因には電子間に働く未知の力が存在することを示していると考えられるとし、これはネマティック秩序の本質に迫る発見であり、新しい物性理論の枠組みが必要だとしている。
