Understanding the nature of the correlated electron systems has been the most challenging issue in condensed matter physics due to the difficulties inherent in the many-body character of electron correlations. Unconventional behaviors of highly correlated electron system, in particular transition-metal oxides, have been extensively investigated in recent years [1]. The cuprate systems show not only high-Tc superconductivity but also show various unusual behaviors in the vicinity of the filling-control Mott metal-insulator transition, and drastically change their behaviors depending on the electron density in the two-dimensional Cu02 planes, which is the stage of the high-Tc superconductivity. Therefore, since the discovery of the high-Tc superconductors, enormous number of studies has been performed to understand the mechanism of high-Tc superconductivity beyond the conventional BCS theory.

Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is a powerful tool to probe the electronic structure through the measurements of band dispersions directly. Recent development of the ARPES method has enabled us to observe fine structures near the chemical potential (μ). Indeed, ARPES studies on the cuprate superconductors have been performed extensively [2]. Particularly, those ARPES work for high- Tc cuprates have clarified significant characteristic feature such as the observation of d-wave superconducting gap anisotropy and the pseudogap above Tc.

The relationship between the pseudogap and the superconductivity has been extensively studied to clarify whether the pseudogap is a precursor for the superconductivity or is not directly related to the superconductivity. The evolution of the electronic structure with hole doping, from the Mott insulator to the superconductor and how T,max is determined have been long-standing issues. Recently the importance of out-of-CuO2 plane disorder effects has been pointed out. In order to study above critical issues on the high-Tc superconductivity, we have investigated the electronic structure of the single-layer cuprates La2-xSrxCuO4 (LSCO) and Bi2Sr2-xLaxCuO6+s (Bi2201) systems using photoemission spectroscopy.

The single-layer cuprates such as LSCO and Bi2201 have single CuO2 planes, and therefore no multilayer splitting, and the sample synthesis is possible in a wide doping range (LSCO: 0 <p <0.30, Bi2201:0.05 <p <0.18), while the T,max is relatively low. Furthermore, in single-layer cuprates, T,max can be controlled widely by systematically introducing disorder, such as Ln-Bi2201 where La is substituted by other lanthanoids (Ln = La, Nd, Eu, Gd) and Zn or Ni-LSCO where Cu is substituted by Zn or Ni. In this thesis, we present detailed electronic structure of Bi2201 and LSCO from lightly-doped to optimally-doped region and disorder controlled Bi2201 by photoemission spectroscopy.

Angle-integrated photoemission study of LSCO

We have performed an angle-integrated photoemission study of LSCO covering from lightly-doped to heavily-overdoped regions. The superconducting gap energy △sc was found to remain small for decreasing hole concentration while the pseudogap energy △* and the pseudogap temperatureT7* increase as shown in Fig 1. The different behaviors of the superconducting gap and the pseudogap can be explained if the superconducting gap opens only on the Fermi arc around the nodal (0,0)-(ππ) direction while the pseudogap opens around (π,0). The results suggest that the pseudogap and the superconducting gap have different microscopic origins. We have also deduced the doping dependence of the coherence temperature Toil below which the Fermi-Dirac statistics of electron/holes is manifest in the spectra. The Taal rapidly increased with doping. This indicates that the superconducting dome appears below both Tcoh and T*, suggesting that the superconductivity emerges out of the Fermi liquid (on the Fermi arc) in hole-doped La2CuO4.

Temperature-dependent ARPES study of LSCO

We have measured the temperature and momentum dependences of the ARPES spectra from the lightly-doped to optimally-doped LSCO. We have observed a different temperature dependence of the momentum distribution curve (MDC) width in the nodal region~(π/2,π/2) from that in the antinodal region~(π,0). The MDC width is strongly affected by the pseudogap opening in the antinodal region, and the in-plane resistivity is reproduced better by taking into account the temperature dependence of the Fermi arc length. We have also observed the anisotropic temperature dependence of the inelastic scattering rate above the pseudogap temperature~150 K. For the , lightly-doped LSCO (x=0.03) we have observed little temperature dependence in the width of the momentum distribution curves and dispersions. However, with decreasing temperature, the spectra show a gap opening, corresponding to the localization behavior observed in the transport properties. The observed gap may be due to a Coulomb gap in the Anderson localization or the polaronic behavior of doped holes with strong electron-lattice coupling.

Doping dependence of the electronic structure in Bi2201

We have performed ARPES and core-level x-ray photoemission studies of the single-layer cuprate Bi2201 and revealed the doping evolution of the electronic structure from the lightly-doped to optimally-doped regions. We have observed the formation of the dispersive quasi-particle band, evolution of the Fermi "arc" into the Fermi surface (as shown in Fig. 2) and the shift of the chemical potential with hole doping as in other cuprates. The doping evolution in Bi2201 is similar to that in Ca2-,NatCuO2C12 (Na-CCOC), where a rapid chemical potential shift toward the lower Hubbard band of the parent insulator has been observed, but is quite different from that in LSCO, where the chemical potential does not shift, yet the dispersive band and the Fermi arc/surface are formed around the Fermi level already in the lightly-doped region. The (underlying) Fermi surface shape and band dispersions are quantitatively analyzed using tight-binding fit, and the deduced next-nearest-neighbor hopping integral t' also confirm the similarity to Na-CCOC and the difference from LSCO.

Effects of the out-of-plane disorder on the nodal quasiparticle and superconductivity

How the out-of-plane disorder affects the electronic structure has been investigated for Ln-Bi2201 (Ln = La, Nd, Eu, Gd) by ARPES. We have observed that, with increasing disorder, 1) the quasi-particle mean-free path decreases, 2) the pseudogap is enhanced, and 3) the superconducting gap is depressed, while the Fermi surface shape as well as the band dispersions are not changed. The results indicate that out-of-plane disorder acts as a weak scatterer and it depresses remarkably the superconductivity realized on the Fermi arc.

Fig. 1: Temperature and doping dependences of the pseudogap and the superconducting gap in LSCO. (a) Normalized density of states (DOS) at Fermi energy (Er) as a function of temperature. Inset shows a scaling plot. (b) Difference normalized DOS between T > T* and T* > T > Tc. Inset shows a scaling plot. (c) Difference normalized DOS between T* >T >Tc, and T <Tc. Inset shows a scaling plot.

Fig. 2: Doping dependence of the Fermi surface and "underlying"Fermi surface in Bi2201. (a)-(e) k-space mapping of spectral weight at EF. (f) Doping dependence of the (underlying) Fermi surface.

本論文は英語で執筆され、また構成は8章から成る。第1章では本研究で取り上げる銅酸化物高温超伝導体の紹介と本博士論文の研究意義及び論文の章構成が簡潔にまとめられている。第2章の前半に高温超伝導体の物性に関る詳細が解説され、後半において本研究の動機が丁寧に説明されている。

酸化物高温超伝導体はMott絶縁体にホールをドーピングすることで超伝導転移し、さらに結晶中のCuO2面が層状構造を形成している。このうち一層(single-layer)型のものは多層型に比べて転移温度が低いものの電子構造がより単純であり、さらに転移するホール濃度が広範囲であるので超伝導発現機構の基本原理を探る上で最適である。そこで本研究では一層型であるLa2-xSrxCuO4(LSCO)、Bi2Sr2-xLa.CuO6+δ(Bi2201)及びBi2Sr2-xLnxCuO6・δのランタノイドを交換したもめ(Ln-Bi2201;Ln=La,Nd,Eu,Gd)に注目した。そして広範囲の温度及びホール濃度の変化、さらにはドーピング元素の交換に対する電子構造の変化を調べることで、キャリアの輸送現象も含めて超伝導発現機構を総括的に解明することを本研究の目的としている。

第3章では本研究対象である電子状態(バンド構造、フェルミ面、電子の運動量分布幅)を直接プローブすることができる光電子分光法について解説している。論文ではその実験原理から国内外の放射光施設と大学研究室で使用した実験装置について詳細な説明がある。

第4章では、ホールドーピングに伴うバンドの変化を取り扱った研究が書かれている。Mott絶縁体にホールドーピングをすると、化学ポテンシャルがギャップ内にピン止めされる場合と、ZRSバンド側にシフトする場合がある。一層型銅酸化物高温超伝導体ではこれまでLSCOが前者で、Na-CCOCが後者に属することが報告されていたがBi2201についてはまだ分かっていなかった。詳細な実験の結果、本論文によりBi2201はNa-CCOCと同じタイプであり、かつフェルミ面(フェルミアーク)やバンド構造との関連も明らかになった。Bi2201やLSCOはチェッカーボード型局所状態密度やストライプ構造の発生など様々な現象が存在し超伝導発現との関連が議論されている。本研究によって、これらを理解するのに不可欠な電子構造を決定したのは今後の研究の基本データとして価値が高い。

第5章では、LSCOサンプルについて、広範囲の温度及びドーピング範囲における擬ギャップと超伝導ギャップの関係を調べた。このような非常に小さいエネルギーギャップを光電子分光で観測するには高分解能測定による長時間スキャンが不可欠であるが、通常サンプルの寿命が足りないので実験的に非常に困難である。そこで本研究では独自の実験・解析アプローチにより、各ドープ量において擬ギャップと超伝導ギャップをそれぞれを独立に観測することに成功し、前者がドーピングに強く依存するのに対して後者は無関係であることを明らかにした。すなわち超伝導発現には超伝導ギャップのみが直接関っていることを意味し、これは機構解明に大変重要な実験的証拠で、ある。さらに本論文では詳細な議論によりその機構としてフェルミアークモデルが妥当であると考察した。

第6章はLSCOについてこれまで報告された種々な面内電気伝導の異常性について電子構造の観点から研究した。高分解能光電子分光測定により各ドープ量のサン、プルにおける平均自由行程の温度依存性を調べたところ、擬ギャップの変化を考慮に入れると矛盾なく説明できることが分かった。またLSCO(x=0.03)では50K以下にて電気抵抗が急激に増加することが報告されており、それに対応した手ネルギーギャップの観測にも成功した。このように基本物性である輸送現象を、擬ギャップ(フェルミアーク)も含めて、電子状態から矛盾なく直接明らかにしたのは大変意義高い。

第7章は、Ln-Bi2201のランタノイド元素をLa,Nd,Eu,Gdと入れ替えることにより、層状構造の面外の乱れを人工的に変化させ、電子構造および超伝導転移に対する影響を調べた。高温超伝導にはホールドーピングが必要であるが、ドーピング元素そのものが系に与える影響はあまり調べられていなかったため、この点に注目してその電子状態の変化を調べた本研究はオリジナリティが高い。

第8章では本研究成果が簡潔にまとめられ、さらにそれらを元にした超伝導発現機構の考察が行われている。

以上、本論文について各章を紹介しながらその物理学的価値を解説した。高温超伝導機構解明に、適切な試料を選択し、その性質に合わせて実験及び解析方法を工夫し、最終的には重要な実験的証拠を掴んだ。このように本研究は独自性も高く、また当該分野に学術的に優れた寄与をしている。そのため、本論文は、学位論文として充分な水準にあることが審査員全員によって認められ、博士論文として合格であると判定された。なお、本論文の内容の1部はPhysicalReviewB(R)、PhysicaC、AIP Conference Proceedingsにてすでに掲載され、今後も本学位論文から4報の論文投稿が見込まれている。いずれの論文も提出者が第一著者として中心に研究した結果であり、その寄与が十分であると判断される。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。