【研究成果のポイント】

• はしご構造をもつ鉄系超伝導体において電子の軌道が入れ替わる"軌道スイッチング現象"を発見。
• 電気の流れやすさがわずかに変わる小さな兆候を手掛かりに、磁場や歪みを制御することでこれまでの鉄系超伝導体でも例を見ない新しい電子軌道状態の存在を解明した。
• 電子軌道が切り替わることで物性を変化させる現象は、将来的に電子の軌道制御を介した新しい機能デバイスへの応用設計につながることが期待されます。

【概要】

大阪大学大学院基礎工学研究科の細井優助教（研究開始時；東京大学大学院新領域創成科学研究科博士課程大学院生）、東京大学大学院新領域創成科学研究科芝内孝禎教授、東北大学大学院理学研究科青山拓也助教、大串研也同教授らの研究グループは、東北大学金属材料研究所の研究グループと共同で、はしご構造をもつ鉄系超伝導体である硫化鉄化合物BaFe₂S₃(※1)において、これまでその起源が未解明であったわずかに電気伝導性が良くなる現象が、ある電子軌道から別の電子軌道へ入れ替わる"軌道スイッチング"に由来していることを明らかにしました。これまでの研究において、磁気構造や結晶構造を調べてもこの新奇現象の兆候をとらえることができておらず、電子軌道が何らかの役割を担っていると推測されてきましたが、その正体はつかめないままでした。今回、細井助教らのグループは、磁場や歪みを加えて物質の応答を調べることにより、もともと鉄のはしご方向に広がっていた電子軌道が、はしごの脚方向に延びる電子軌道に切り替わりつつあることを解明しました(図１参照)。このような電子軌道の切り替わりによって物性が変わることを手掛かりにした、新しい機能デバイスへの応用が期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Physical Review Research」に、１２月１日（日本時間）に公開されました。

図１：今回明らかになったはしご型超伝導体における軌道スイッチング現象のイメージ図。

【用語解説】

※1　はしご構造をもつ鉄系超伝導体である硫化鉄化合物BaFe₂S₃
BaFe₂S₃は鉄原子が２列に一直線状に並んだ、はしご構造を持つ結晶です。この物質は電子同士の相互作用が強く働いており絶縁体に近い電気伝導性を持ちますが、圧力を加えることで金属化し超伝導が現れることが報告されています。 特にこの物質では常圧下では-90℃あたりで電気伝導性が良くなる兆候が見られており、何らかの電子状態変化の可能性が議論されてきましたが、その詳細はよくわかっていませんでした。

詳細（プレスリリース本文）

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