【ポイント】

・ニッケル酸化物高温超伝導体^注1）では超伝導相付近で電荷・スピン秩序の共存が観測される。
・電荷・スピン秩序が共存する微視的な起源と、高温超伝導^注2）発現機構を理論的に解明。
・欠陥原子を利用した、超伝導対称性や発現機構を解明する実験手法を理論的に提案。

名古屋大学大学院理学研究科の井上 大輔 博士後期課程学生、山川 洋一 講師、大成 誠一郎 准教授、紺谷 浩 教授は、2023年に発見された二層ニッケル酸化物高温超伝導体で観測される電荷密度波（CDW）^注3）とスピン密度波（SDW）^注4）が共存する微視的な起源を理論的に解明しました。さらに、電荷とスピンの量子揺らぎ^注5）が協力することで高温超伝導が発現する機構を発見しました。
二層ニッケル酸化物（La₃Ni₂O₇）は、銅酸化物^注6）、鉄系高温超伝導体^注7）に続く新しい高温超伝導体として、現在世界中で非常に注目されています。二層ニッケル酸化物では、圧力下で超伝導転移温度（Tc）が最大80Kの超伝導が発現し、常圧ではCDWとSDWの共存相が観測されています。電荷とスピンの秩序形成は銅酸化物、鉄系超伝導体でも観測されることから、CDW・SDW共存相は高温超伝導の発現に重要な役割を果たすと考えられていました。しかし、二層ニッケル酸化物におけるCDW・SDW共存相の起源や高温超伝導発現機構との関係は理論的に未解明でした。
本研究では、スピン揺らぎ間の量子干渉により電荷秩序が生まれる「パラマグノン干渉機構」^注8）に着目し、これまで無視されていた電子相関を考慮した理論解析を行いました。その結果、実験で観測されるCDW・SDW共存相の理論的な再現に成功しました。さらに、CDWとSDWに由来する量子揺らぎが協力してクーパー対^注9）を形成することで、高温超伝導が実現することを発見しました。本研究は、二層ニッケル酸化物における密度波秩序と高温超伝導の起源を統一的に説明する成果であり、高温超伝導発現機構の完全解明や新規高温超伝導体の開拓に繋がると期待されます。
本成果は2026年2月23日付の英国科学誌「Communications Physics」オンラインで早期公開されました。

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【用語説明】

注1）二層ニッケル酸化物高温超伝導体：
2023年に新しく発見された、世界で3例目となる高温超伝導物質。（圧力下で超伝導転移温度Tc=80K）。2024年には薄膜試料において常圧でも超伝導（Tc=40K）となることが発見され、今後の進展に非常に注目が集まっている。
注2）高温超伝導
金属中の電子がクーパー対を組むことで電気抵抗が完全に無くなる量子相転移は、超伝導と呼ばれる。中でも、転移温度が高い超伝導体（約60K以上）は高温超伝導体と呼ばれる。
注3）電荷密度波（CDW）：
電荷の粗密が周期的に変調する秩序は電荷密度波と呼ばれる。電荷密度の変調だけでなく、電子の飛び移りやすさが周期的に変調する「ボンド秩序」もCDWに含まれる。
注4）スピン密度波（SDW）：
電子は「スピン」と呼ばれるミクロな量子力学的自由度を持っている。スピンは向きを持ち、主に上向きのアップ、下向きのダウンという状態をとる。スピンのアップ・ダウンが周期的に変調する秩序はSDWと呼ばれる。
注5）量子揺らぎ：
量子力学的な不確定性原理によって、電荷の粗密やスピンの向き等が絶対零度においても一つの状態に定まらず、変動した状態。秩序相近傍では、特に揺らぎが大きくなるため、重要となる。
注6）銅酸化物：
1986年にベドノルツ・ミュラーにより発見された高温超伝導体。磁気秩序相や電荷秩序相に隣接して高温超伝導相（d波）が実現する。
注7）鉄系高温超伝導体：
2008年に細野・神原により発見された鉄化合物の高温超伝導体。回転対称性が自発的に破れた電子ネマティック相に隣接して高温超伝導（s波）が実現する。電子ネマティック秩序の起源として、Feの3d電子の軌道秩序が有力視されている。
注8）パラマグノン干渉機構：
2種類の量子揺らぎが干渉することで、第3の種類の量子揺らぎや秩序状態が誘起される機構。鉄系高温超伝導体における軌道秩序やカゴメ金属超伝導体におけるCDWがパラマグノン干渉機構による理論で説明されてきた。
注9）クーパー対：
超伝導は、金属中の多数の電子がクーパー対と呼ばれる電子対を組むことで起こる。クーパー対の形成機構が電子格子相互作用であるものを従来型超伝導、電子間相互作用であるものを非従来型超伝導と呼ぶ。非従来型超伝導体には、高温超伝導体も含まれる。

【論文情報】

雑誌名：Communications Physics
論文タイトル：Unified mechanism of charge-density-wave and high-Tc superconductivity protected from oxygen vacancies in bilayer nickelates
著者: 井上大輔（名古屋大学）、山川洋一（名古屋大学）、大成誠一郎（名古屋大学）、紺谷浩（名古屋大学）　　　　　　

DOI: 10.1038/s42005-026-02511-z　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
URL: https://www.nature.com/articles/s42005-026-02511-z

【研究代表者】

大学院理学研究科 紺谷 浩 教授,　主著者：井上 大輔（博士後期課程学生）
https://www.s.phys.nagoya-u.ac.jp/