トポタクティック反応を用いた水素ドープ1111型鉄系超伝導体薄膜の電子状態解析

• Project/Area Number: 22K14601
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 半沢 幸太 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (30849526)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 鉄系超伝導体 / エピタキシャル成長 / トポタクッティック反応 / 強磁場 / 水素 / エピタキシャル薄膜 / 電子構造

Outline of Research at the Start

鉄系超伝導体LnFeAsO（Ln = 希土類金属）は、水素をドーパントとすることで特異な超伝導相図を示す。その発現機構を明らかにすべく、単結晶合成が世界中で試みられたが、得られた結晶サイズは極めて小さく、水素濃度も不十分であったため、未だに超伝導発現メカニズムに迫る研究には至っていない。申請者はエピタキシャル薄膜に着目し、トポタクティック反応を利用した水素ドーピング手法を用いることで高濃度水素ドープSmFeAsOの作製に成功した。そこで本研究では、水素ドープLnFeAsO（Ln = Sm, La）の角度分解光電子分光を測定することで、超伝導発現メカニズムの解明に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

鉄系超伝導体で最高の超伝導臨界温度（Tc）を発現するLnFeAsO（Ln = 希土類金属）は、水素をドーパントとすることで特異な超伝導相図を示す。その特異な超伝導発現機構を明らかにすべく、単結晶合成が世界中で試みられ、近年はじめて合成に成功した。しかし、その結晶サイズは極めて小さく、水素濃度も不十分であったため、未だに角度分解光電子分光などの超伝導発現メカニズムに迫る研究には至っていない。そこで、大型単結晶と同等と見なせるエピタキシャル薄膜に着目し、トポタクティック反応を利用した水素ドーピング手法を新たに開発することで高濃度水素ドープLnFeAsO（Ln = Sm）の作製に世界で初めて成功した。本研究課題では、その水素ドープSmFeAsOの強磁場下における電子輸送特性を測定することで、超伝導応用に向けた最も重要な超伝導特性の1つである上部臨界磁場の実験的な決定と超伝導発現メカニズムの解明を試みた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

130Tの強磁場を発生させる一巻きコイル法を用いて、水素置換SmFeAsOエピタキシャル薄膜の上部臨界磁場を評価した。その結果、SmFeAsOが鉄系超伝導体において実測値としては最大の120Tの上部臨界磁場を有することを明らかにした。さらに得られた上部臨界磁場の温度依存性を評価することでこの物質の超伝導対破壊の起源に迫る知見を得ることが出来た。さらにその磁気異方性がフッ素を置換したSmFeAsOに比べて半減するという特異な特性も見出した。

Strategy for Future Research Activity

鉄系超伝導体の超伝導発現機構の起源に迫るため、水素置換SmFeAsOエピタキシャル薄膜の電子構造評価を行う。現在用いている水素置換手法ではエピタキシャル薄膜表面が水素源である水素化カルシウム粉末に直接触れてしまうという欠陥がある。これは薄膜表面の汚染を導くことから、表面情報が観測する光電子分光測定などの妨げになっていた。そこで水素源が直接薄膜表面に接触しない高効率な水素置換手法の開拓を行う。