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摘 要：研究小组通过使用康普顿散射方法，首次成功地观测到铜氧化物高温超导体的电子处于一维运动叠加的状态，而非35年来成为定论的传统二维费米面的形状，阐明了引起高温超导性的电子运动状态，并有望铜氧化物在高温下具有超导性的原因。
关键字：康普顿散射、铜氧化物、高温超导体、电子运动状态、一维运动、费米面
关于铜氧化物高温超导体的电子，35年前提出其进行二维运动的定论，但日本国立研究开发法人物质材料研究机构（NIMS）与北海道大学、JASRI、东北大学共同研究发现，铜氧化物高温超导体的电子处于一维运动叠加的状态。此次研究成果阐明了引起高温超导性的电子运动状态，并有望阐明铜氧化物在高温下具有超导性的原因。
为了解决能源问题，全世界都在进行有关如何在高温下开发零电阻超导体的研究。其中，铜氧化物超导体具有较高的转移温度，并且具有由铜和氧组成的CuO2表面层叠为层状的特征结构，因此其表现机理备受关注。为了阐明这种机理，重要的是观察反映物质中电子运动的费米面。在本研究之前，通过角分辨光电子能谱（ARPES）对费米面进行了观察，发现电子在xy平面上进行二维运动。但是，ARPES只能精确观察到费米面的一部分，因此其整体形状尚未明确。
但是近年来，理论验证和其他实验表明，电子可能进行一维运动，为了阐明高温超导体的电子状态，需要进行详细的观察以研究费米面是否真的是二维的。
图：康普顿散射实验中观察到的电子动量分布。如图所示，强度越强，该区域中的电子占有率越大。费米面位于强区和弱区之间，强度有望沿费米面实现基本恒定。
此次，研究小组使用一种只能在世界大型同步辐射设施SPring-8上进行的利用高强度高能X射线的康普顿散射方法，对铜氧化物高温超导体La2-xSrxCuO4中的费米面进行了详细观察。其结果是，首次成功地通过实验证明了一维电子运动叠加的状态，而非35年来成为定论的传统二维费米面的形状。
La2-xSrxCuO4具有CuO2平面层叠为层状的结构，但观察数据表明，电子在各CuO2面上沿x方向或y方向运动，并且x方向和y方向沿层方向交替变化。
今后，该研究小组将结合ARPES等其他方法，研究一维电子运动的叠加如何导致高温超导性，继续推进有关利用高温超导材料开发新一代量子计算机用量子材料的基础研究。此外，本次使用的康普顿散射方法可以对各种物质群的电子状态进行详细分析。特别是，研究小组将重点观察有望成为降低氢液化成本关键的磁冷冻材料的电子状态，为实现氢能社会提供电子层面的知识。
翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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