<講義ノート>光電子分光で見る強相関物質と超伝導体(第62回物性若手夏の学校 講義)

Abstract

物質が示す磁性、超伝導、金属-絶縁体転移などの多様な物性は、電子間相互作用とそれにより生じる電子の絡み合った運動(電子相関)が原因となって現れている。電子間相互作用・電子相関を最も直接的かつ詳細に調べる方法として、光電子分光(とくに角度分解光電子分光ARPES)は絶大な威力を発揮してきた。近年では時間分解ARPESで過渡的な電子状態の観測も可能になってきた。ARPESでは光子を吸収して真空中に放出された光電子のエネルギー・運動量・スピン分布を計測するが、これらの分布は光電子放出で残された正孔の運動を反映している。このため、光電子スペクトルは単なるバンド構造ではなく、電子相関の衣を着て伝搬する正孔の一粒子グリーン関数を表している。光電子スペクトルからは電子間相互作用・電子相関がわかるだけでなく、フォノン・スピン揺らぎ・電荷揺らぎなどのボゾン励起のエネルギーやボゾン-電子結合の強さもわかり、輸送現象や超伝導機構の研究に重要な寄与をしてきた。また、長距離秩序(短距離秩序)によりフェルミ面に開くギャップ(擬ギャップ)は、磁気秩序・電荷整列・超伝導などそれぞれの秩序の性格を反映する。本講義では、強相関電子系の光電子分光の基本原理から始めて、ARPESで見えるバンド構造とフェルミ面が電子相関にどう影響されるのか、ボゾン励起や長距離秩序・短距離秩序にどう影響されるのかを、実際の強相関酸化物とそのヘテロ構造、高温超伝導体、強磁性半導体を例に解説していく。