本研究では高温超伝導体の異常な物性を光学応答の面から明らかにすることを目的とした。電磁波は物質中で電荷と結合した励起と相互作用を行う。従って光学応答は物質の電子状態に対する情報を与える。言うまでもなく、高温超伝導現象の解明にはその舞台となる電子状態の理解が必要である。

　本研究では、高温超伝導発現の舞台となるCuO₂面よりもむしろそれに垂直な方向(c軸方向)に着目している。これはc軸方向の物性が実験的にさえ、いまだに十分解明されているとは言えないためである。高温超伝導現象自体はCuO₂面内で起こる2次元的なものではなく、明らかにc軸方向も含めた3次元で起こるものである。すなわち、c軸方向の物性を明らかにすれば、高温超伝導体の電子状態を探る上で、CuO₂面内と相補的な情報が得られると考えられる。なお、本研究の対象物質はLa_2-xSr_xCuO₄とした。この系は典型的な高温超伝導体であり、広い範囲でドーピングレベルをコントロール出来る特長がある。また、大型良質の単結晶を得られるという利点もある。

　常伝導状態でのc軸偏光の光学応答から、高温超伝導体の異方的な伝導についての知見が得られた。La系で見られ、高温超伝導体の特長と考えられる電気抵抗の異方性は、＝0での特異点的な振る舞いではない。c軸光学伝導度は、0.3eV以下の広いエネルギー範囲にわたって面内に比べて2桁以上小さな値を取っており(図1)、電気抵抗の異方性の大きさを一部説明している。超伝導組成ではc軸光学伝導度スペクトルはエネルギーに依存せず、構造に乏しい。このことはc軸方向のincoherentな運動を示しており、系は2次元金属状態であると言える。また、低エネルギー励起に関与する実効的なキャリア数の異方性の大きさは3次元的な金属状態を予言するバンド理論の予測よりもはるかに小さい。これは系を2次元的にするような何らかの機構が存在することを示している。一方、正常金属組成のx＝0.30では電気抵抗の異方性は光学伝導度スペクトルの振動子強度の異方性で説明できる。電気抵抗の異方性の大きさが温度依存しないことと合わせて系が3次元異方的金属状態であることが判明した。

図1:c軸光学伝導度スペクトルの組成依存性

　このような2次元的な金属が超伝導状態になると、従来の超伝導体とは異なった振る舞いをする。c軸方向のincoherentなキャリアダイナミクスを反映して、超伝導状態ではc軸方向に電場成分を持つJosephsonプラズマが立つことが判明した。超伝導状態の光学応答を決定しているのは超伝導ギャップを越えた励起ではなく、Josephsonプラズマである。超伝導状態ではCuO₂面間はJosephson結合しており、高温超伝導体はintrinsicにJosephson arrayをなしている。また、c軸方向は半導体的な光学応答をすることから超伝導状態での測定が面内方向に比べて容易であり、超伝導状態での励起スペクトルを正確に調べられる(図2)。低ドープ側では低エネルギーでの吸収はほとんど見られず、超伝導ギャップはきれいに開いている。これはCooper対の対称性がs-waveか純粋なd-waveで説明される。しかし、ドープが進んだ組成では、＝0までかなり強い吸収が存在する。このことから、高ドープ組成では何らかの非常に強い対破壊効果を内包しているか、あるいは、相分離などを引き起こしていると考えられる。もともとの対称性がs-waveであれば、磁気的な不純物による対破壊効果を考えなければならない。しかし、これは本研究で用いた試料では考えられない。従って、対破壊効果であれば非磁性散乱体によるd-waveの対破壊の可能性が高い。方、相分離の可能性もありえるが、その場合試料の半分程度が常伝導状態でなくてはならない。これはMeissner効果の測定に反する。いずれにしても、このことが、常伝導状態で見られた高ドープ側でのやや金属的な兆しと呼応しているように見える。

　低ドープ側での超伝導状態においては、超伝導ギャップ以下での吸収がほとんどなくそのエネルギー領域にJosephsonプラズマが立つのでプラズマには減衰過程が存在しないと期待できる。その結果、非常に薄い試料(厚み100m程度)を用いると試料はほぼ透明となり、表面と裏面で反射された光が干渉し合う。干渉の効果はc軸偏光の反射率スペクトルでプラズマエッチの高エネルギー側に振動的な振る舞いが見られることで確認できる。これを用いることによりプラズマ中での電磁波の波数と周波数が同時に求まり、電磁波の分散関係が得られる(図3)。Josephsonプラズマの長い寿命を利用することにより、初めて理論的に予測される分散関係、

　を直接的に検証した。

図表図2:超伝導状態(8K)とT_c直上でのc軸光学伝導度スペクトル / 図3:薄い結晶を用いた干渉効果から求めたプラズマ中の電磁波の分散関係(黒丸)。実線は理論式によるフィッティング。

　高温超伝導体は超伝導の舞台となる金属CuO₂面と電荷の供給源である他の原子層との積層結晶構造をもつ。電荷キャリアーは主にCuO₂面内を運動し、従って研究の多くはCuO₂面内の電荷の運動に関するものであった。本論文は、La系高温超伝導体La_2-xSr_xCuO₄のフローティングゾーン法による大型単結晶成長の成功に支えられて、CuO₂面間(c軸方向)の電荷のダイナミックスを実験的に研究したものである。研究は0≦x≦0.30の広い組成範囲にわたる単結晶成長と遠赤外波長領域を中心とするc軸偏光反射スペクトル測定により遂行された。

　本論文全体は6章から構成されている。第1章では本研究の背景とその目的が述べられている。

　第2章は、La_2-xSr_xCuO₄の単結晶成長法とc軸偏光光学測定法についての章である。反射率スペクトルからクラマース・クローニヒ変換により、誘電関数特に光学伝導度スペクトルと有効電子数を求める方法、そして常伝導状態と超伝導状態両者のスペクトルを測定するためのクライオスタット中での光学測定法が簡単に記述されている。

　第3章は、常伝導状態におけるc軸光学スペクトルの実験結果とその考察をまとめたものである。c軸光学伝導度が面内の伝導度に比べて著しく抑制されていて、抑制が1eV近い高エネルギー域まで及んでいることを見出した。この抑制は、Sr低濃度域程著しく、そのことがc軸方向の電気伝導を半導体的にしている原因であると議論している。一方、Sr高濃度域では伝導度が急激に増大し、光学伝導度スペクトルが面内と同様に金属的になることを示している。

　第4章は超伝導状態におけるc軸光学応答の実験結果と考察をまとめたものである。本研究における最大の発見は、超伝導状態においてc軸反射スペクトルに鋭いプラズマエッジを観測したことである。このプラズマはジョセフソンプラズマと呼ばれているジョセフソン接合内に発生する集団励起モードと同一のものであると推論している。第3章で示した抑制されたc軸光学伝導度はCuO₂面における電子状態の2次元性を示すもので、ジョセフソンプラズマの観測は、超伝導状態においても2次元性が保持されていること、すなわち隣接する超伝導CuO₂面がc軸方向にジョセフソン結合していることの証拠になっている。この発見は高温超伝導体の電子デバイス応用にとって重要であるだけでなく、新たなデバイス応用への刺激となるものである。第4章では更にCuの一部をZnで置換することによる不純物効果についても実験と議論を展開し、高温超伝導体中のクーパー対の対称性の問題に言及している。

　第5章は超伝導状態におけるジョセフソンプラズマと遠赤外電磁波との結合を調べたもので、薄く研磨した結晶を用いて電磁波がポラリトンとして結晶中を伝搬する様子を明らかにしている。準粒子励起による電磁波の減衰から精度よく超伝導ギャップ内の光学伝導度が決定できた。

　第6章は、c軸光学スペクトルから得られた常伝導状態・超伝導状態における電荷のダイナミックスを総合的に考察し、結論をまとめている。

　以上を要するに、本論文は代表的な高温超伝導体La_2-xSr_xCuO₄のc軸偏光光学スペクトルが常伝導状態及び超伝導状態においてドーピング量xとともにどのように変化するかを追求したものである。本研究により、電荷のCuO₂面間ダイナミックスが明らかにされ、また高温超伝導体の電子デバイス応用の基礎となる発見がなされた。その業績は物性物理学、物理工学に寄与するところが大きい。よって本論文は博士(工学)の学位論文として合格と認められる。