博士（理学）ガイフーリン，B．マラット

学位 論文 題名The Josephson Plasma Resonance in Bi2Sr2CaCu208+b(Bi2Sr2CaCu208+みに おけ るジョ セフソン・プラズマ共鳴）

学位論文内容の要旨
高 温超伝導体は2次元Cu02面が層状に積み重なった構造を持ち、大きな異方性を示す。
特 に c軸 方 向 の コ ヒ ー レ ン ス 長 は 面 間 隔 よ り も 圧 倒的 に 短 く な り 超 伝 導 状 態 で は 各
Cu02層は ジョ セフ ソン 効果 により 結合した状態となる。この大きな電子状態の異方性に
より 、通 常の 超伝 導体 では 真空紫 外領域にあるプラズモンの励起エネルギーが、高温超伝導 体の Cu02面に 垂直 方向 では超 伝導ギャップの内側まで減少してレまう。このため面に垂 直方 向の プラ ズモ ンは ランダ ウ減衰や光学フォノン散乱を受けずにきわめて安定に存在する。このプラズマ（ジョセフソン・プラズマ）は通常の超伝導体や金属では観測されなかった興味ある電磁現象をもたらすことが期待される。
一方、Bi2Sr2CaCu208十deltaの30〜60GHzの表面抵抗の磁場依存性の測定から、強い磁場を垂 直方 向に かけ ると マイ ク口波 のシャープな吸収が観測された。第二種超伝導体の渦糸状 態で 何ら かの 共鳴 吸収 が観測 された例はほかになく、渦糸状態や電子状態を研究する上 でき わめ て興 味が 持た れた。 当初 、こ の共 鳴は 2次 元Cu02面で起こっていると考えられ 準粒 子の サイ クロ トロ ン共鳴 、渦糸コア内部の準粒子励起モード等の様々な解釈がなさ れて いた 。本 論文 の主 要な成 果はマイクロ波空洞共振器を用いることにより様々なマイ クロ 波電 場と 磁場 配置 で実験 を行い、この共鳴吸収モードが上述のジョセフソン・プラズマ共鳴であることを初めて明らかにしたことである。
高 温超 伝導 体の マイ クロ 波領域 では表面抵抗は一般にきわめて小さい。このため通常は超 伝導 体で 作ら れた 高い Q値を 持つ 空洞 共振 器を 用い る。し かしながらこの方法では磁場 をか ける と常 伝導 にな ってし まうため強い磁場をかけることができない。申請者は
ボ口 メー 夕法 を用 いる こと により 強磁場中でも微弱なマイク口波吸収を測定できる極めて高感度な装置を作製レた。TSFZ法により作製した高品質のB
i2Sr
2CaC
u208
十de
ha単結晶に対し マイ クロ 波導 波管中で円偏光波をっくりこの共鳴現象の円偏光依存性を調べた。その結 果こ の共 鳴現 象には円偏光依存性が存在しないことを明らかにし、この共鳴がサイ
ク口 ト口 ン運 動や 渦糸コアの準粒子モードからきている可能性を完全に排除した。ついで、 この 共鳴 が超 伝導面内の電子の運動からきているのかそれとも面間の伝導からきている のか を明 らか にす る実 験を行 った 。こ のた めマイク口波磁場Hーとマイク口波電場
EーをT
Eエ02空洞共振器中でBi2
Sr：Ca
Cu：08
十delta
試料の超伝導面に垂直にかけてその応答の測定を行った。Hいをかけた場合マイクロ波電流は超伝導面内にのみ流れるのに対し、Eacをかけた場合電流は面に垂直方向にのみ流れる。この実験の結果、Eーを面に垂直にかけた場 合の み共 鳴吸 収は観測され超伝導面に垂直な電子の運動によりこの共鳴が起こることを 初め て明 らか にした。この共鳴は通常のサイク口ト口ン共鳴とは逆にマイクロ波周
波数 を上 げる と共 鳴磁場が減少すること示された。これらの結果からこの共鳴がジョセフソン・プラズマ共鳴であると結諭した。
ジ ョセ フソ ン・ プラズマは超伝導面に垂直なクーパー対の振動モードであり、そのプ
ラズ マ周 波数 の二 乗は c軸方 向の ジョ セフ ソン 臨界電流の強さに比例するなどその特徴を実 験的 に明 らか にした。さらに、ジョセフソン・プラズマ共鳴は渦糸と強く相互作用する こと から 、ジ ョセフソン・プラズマ共鳴周波数の温度依存性、磁場依存性より面間の位 相コ ヒー レン スの強さを直接定量的に測定した。これにより従来の超伝導体とは大きく異なる高温超伝導体Bi2Sr2CaC
u208
十deltユの渦糸状態で渦糸格子が熱的に融解した渦糸液体状態などその磁気相図の詳細を得た。
こ のよ うに 申請 者は、酸化物高温超伝導体において観測されたマイクロ波吸収がジョセフ ソン ・プ ラズ マ共鳴であることを初めて明らかにし、このジョセフソン・プラズマ共鳴は 超伝 導渦糸 状態を 調べる 強カ な実験 手段で あるこ とを示した。

学 位 論 文 審 査 の 要旨
主査

教授

熊谷健一

副査

教授

中原純一郎

副査

教授

大川房義

副査
副査

教授

榊原俊郎

助教授

北副査助教授松田祐司（東京大学大学院理学系研究科）

孝文

学 位 論 文 題 名The Josephson Plasma Resonance in Bi2Sr2CaCu208+b(
Bi2Sr2CaCu208+づにおけるジョセフソン・プラズマ共鳴）

Bi2SrZCaCu208＋ dclt． の30〜60G
Hzの表 面抵 抗の 磁 場依 存性 の測 定に おい て、 強い 磁場 を
垂 直方向 にか ける とマ イクロ波のシャープな吸収が観測された。第二種超伝導体の渦糸状 態で何 らか の共 鳴吸 収が観測された例は他になく、渦糸状態や電子状態を研究する上で 極 め て 興 味 が 持 た れ た 。 当 初 、 こ の 共 鳴 は 2次 元 Cu02面 で 起 こ っ て い る と 考 え ら れ 準粒 子のサ イク ロト ロン 共鳴、渦糸コア内部の準粒子励起モード等の様々な解釈がなされて いた。 これ に対 し、 申請者は、マイクロ波空洞共振器を用いることにより様々なマイク ロ波電 場と 磁場 配置 で実験を行い、この共鳴吸収モードの特徴を明らかにした。研究の 経 緯 と 目 的 を 第 1章 に 述 べ 、 本 論 文 の 主 要 な 成 果 は 、 共 鳴 吸 収 モ ー ド が ジ ョ セ フ ソン ・プ ラズ マ共 鳴で ある こと を初 めて 明ら かに した こと を 要約 した ；第 2章 で は 実 験 方 法 に つ い て 述 べ て い る 。 高 温 超 伝 導 体 の マ イ ク ロ 波 領 域 で は 表 面 抵
抗 は 一 般 に き わ め て 小 さ い 。 通 常 は 超 伝 導 体 で 作 ら れ た 高 い Q値 を 持 つ 空 洞 共 振 器 を 用い る。レ かし なが らこ の方法では磁場をかけると常伝導になってしまうため強い磁場をか けるこ とが でき ない 。申請者はボロメー夕法を用いることにより強磁場中でも微弱な
マ イクロ 波吸 収を 測定 できる極めて高感度な装置を作製レた。酸化物超伝導体におけるマ イクロ 波共 鳴現 象に 関す る新 たな 研究 を可 能に した 実験 的開発 は高 く評 価さ れる。
第 3章 で は ジ ョ セ フ ソ ン プ ラ ズ マ 共 鳴 の 実 験 的 検 証 と 現 象 論 的 解 釈 を お こ な っ た 。
TSFZ法 によ り作 製し た高 品質 のBi2S
r2Ca
Cu208＋ dclt．単 結晶 に対 しマイク口波導波管中で共鳴 現象の 円偏 光依 存性 を調べた。その結果、この共鳴現象には円偏光依存性が存在しないことを 明らかに し、共鳴が サイクロ ト口ン運 動や渦糸 コアの準 粒子モー ドからきている可能性 を完全に 排除した。 ついで、 この共鳴 が超伝導 面内の電 子の運動 からきているのかそれ とも面間 の伝導から きている のかを明 らかにす る実験を 行った。 このためマイクロ波磁場Hーとマイク口波電場EーをTE
エ02空洞共振器中でBi2
Sr2CaCu208
十delta
試料の超伝導面 に 垂直 に か けて そ の 応答の測定 を行った 。この実 験の結果 、EーをCu02面 に垂直にかけた場 合のみ共 鳴吸収は観 測され超 伝導面に 垂直な電 子の運動 によりこ の共鳴が起こることを 初めて明 らかにレた 。さらに 、この共 鳴は通常 のサイク 口ト口ン 共鳴とは逆にマイクロ 波周波数 を上げると 共鳴磁場 が減少す ることを 示すなど 深い洞察 に基づく実験を遂行し 、酸化物 高温超伝導 体で観測 されたマ イクロ波 共鳴がジ ョセフソ ン・プラズマ
振 動 に よ る も の で あ る こ と を 世 界 で 初 め て 結 諭 し 、 現 象 論的 解 釈を 与 えた 。
第 4章 では ジ ョ セフ ソ ン・ プラズマ共 鳴測定か ら超伝導 混合状態 のおける 新しい物 理現象を示 した。ジ ョセフソン ・プラズ マは超伝 導面に垂 直なクー パー対の 振動モードであり 、 その プ ラ ズマ 周 波 数の二乗が c軸方向の ジョセフ ソン臨界 電流の強 さに比例 するなどその 特徴を実 験的に明ら かにレた 。さらに 、ジョセ フソン・ プラズマ 共鳴は渦糸と強く相互 作用する ことから、 ジョセフ ソン・プ ラズマ共 鳴周波数 の温度依 存性、磁場依存性より 面間の位 相コヒーレ ンスの強 さを直接 定量的に 測定した 。これに より従来の超伝導体とは大きく異なる高温超伝導体B
i2Sr2CaC
u208＋ddーの渦糸状態で渦糸格子が熱的に融解した渦糸液体状態などその磁気相図の詳細を得た。
このよう に申請者 は、酸化物 高温超伝 導体にお いて観測 されたマ イクロ波 吸収がジョセフソン ・プラズ マ共鳴であ ることを 世界で初 めて明ら かにし、 このジョ セフソン・プラズマ共 鳴法が超 伝導渦糸状 態を調べ る強カな 実験手段 であるこ とを示し たことは、固体物 理学 お よび 高温 超 伝導 の研 究 に貢 献す ることが極 めて大である。
よって、 審査員一 同は、最終試験の結果と合わせて、本論文の申請者、ガイフーリン、
B.マラットは北海道大学博士（理学）の学位を受けるに十分な資格があるものと認定した。