東京大学および高エネルギー加速器研究機構(KEK)の研究グループは、電子相関が強い酸化物「SrVO₃」において、伝導電子が他の動き回る電子や格子振動から受ける動的なポテンシャル(自己エネルギー)を実験で決定することに成功したと発表した。同成果は東大大学院理学系研究科の吉田鉄平 助教、同藤森淳 教授、KEK物構研の組頭広志教授らによるもので、米国物理学会が発行する「Physical Review Letters」に掲載された。

ペロブスカイト型の結晶構造を有するバナジウム酸化物は、電子比熱係数の値が大きいなど、電子間の相互作用が強いことが知られており、単位格子当たりの3d軌道電子が1個と、モデル化しやすいことから、電子相関効果を調べるために、電子状態の理論計算や、実験的研究などが行われてきた。

今回、研究グループは、SrTiO₃基板上にパルスレーザー堆積法でSrVO₃薄膜をエピタキシャル成長させることで、電子状態の研究に最適な、平坦な結晶表面を作製。これに対しKEKフォトンファクトリーのビームラインBL-28Aにおける角度分解光電子分光を用いて、バンド構造の測定を行った。また、動き回る他の電子や格子振動から電子が受ける動的なポテンシャルをあらわす「自己エネルギー」を広いエネルギー範囲にわたる精密な測定を行った。

図1 ペロブスカイト構造を有するSrVO3の結晶構造(転載:E Pavarini, A Yamasaki, J Nuss and O K Andersen, New Journal of Physics 7, 188 (2005))(出所:KEK Webサイト)

その結果、バンド構造に折れ曲がり(キンク)が観測され、そのエネルギーが酸素に由来した格子振動に一致することが判明した。銅酸化物高温超伝導体にもキンクが観測されており、その起源について論争が続いているが、今回の結果は、銅酸化物のキンクと、よく似ていることもあり、銅酸化物の場合も格子振動が起源であることを示すものだと言えると研究グループではコメントしている。

また、新しい解析方法を用いることで、低エネルギーの格子振動のみでなく、電子間の相互作用も含む広いエネルギー範囲で自己エネルギーを決定することにも成功。これにより第一原理計算で説明することができなかった、自己エネルギーを実験的に決定できたことで、物質中の電子が相互作用しながら複雑な運動をする様子がより正しく理解できるようになることから今後、様々な物質の物性解明に応用されることが期待されるともコメントしている。

図2 (a)SrVO3のバンド構造と(b)実験から求められた自己エネルギー(出所:KEK Webサイト)