2017 Fiscal Year Annual Research Report
はしご型鉄化合物の圧力誘起超伝導における電子状態の解明と新規超伝導体探索
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16H04019
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
高橋 博樹 日本大学, 文理学部, 教授 (80188044)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山内 徹 東京大学, 物性研究所, 技術専門職員 (10422445)
大串 研也 東北大学, 理学研究科, 教授 (30455331)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | はしご型鉄化合物 / 超伝導 / 高圧 / 圧力誘起超伝導 / 鉄系超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者らによる新しいタイプの擬1次元超伝導体、はしご型構造を持つ鉄化合物BaFe2S3の発見をきっかけとする研究であり、その物理的性質および超伝導発現条件を明らかにすること、関連する周辺物質を開発することを目的として研究を推進している。スピンラダー型鉄化合物の超伝導性が、銅酸化物と同様にモット絶縁体を金属化することで発現すること、また、1気圧では鉄に起因する様々な磁性を示し磁性と超伝導の関係が密接であること、などの結果から、鉄系超伝導や銅酸化物超伝導などの高温超伝導体の機構解明の手が かりが得られることが期待された。
BaFe2S3は1気圧で約120 Kのネール温度をもつ反強磁性モット絶縁体であり、約11 GPaで金属－絶絶縁体転移を示し、金属相で超伝導を示す。超伝導転移温度Tcは圧力に対しドーム型を示し、約17 Kの最高Tcを示し17 GPa以上では超伝導を示さない。一方、同様にはしご型構造を示すBaFe2Se3は高圧下で超伝導の見つかったBaFe2S3のSをSeで置換した物質であり、同様の結晶構造をとるにもかかわらず、高圧下でも金属化せず， 超伝導を示していなかった。平成30年度は、BaFe2Se3に関して良質の単結晶が合成され、高圧下で物性測定を行ったところ、キュービックアンビルプレスにより金属化が確認された。
ダイヤモンドアンビルセルにより11 GPa付近で金属－絶縁体転移を示し、金属化するとほぼ同時に超伝導と思われる抵抗減少が11 K付近に観測された。はしご型鉄化合物BaFe2S3については、1気圧の反強磁性転移温度が過剰鉄により変化し、超伝導転移温度Tcも過剰鉄の濃度により変化する振る舞いが報告されていたことから、BaFe2Se3についても同様の測定を行っている。また、超伝導であることの確証を得るための高圧磁気測定も進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
BaFe2S3およびBaFe2Se3に元素置換を行った単結晶合成、および良質のBaFe2Se3の単結晶合成を行い、それらの物質について高圧下での電気抵抗測定を行うことで、電気的性質を調べている。おおむね計画通りに推進している。
高圧下で超伝導を示したBaFe2S3に元素置換を行ったBal-xCsxFe2S3の電気抵抗測定を高圧下で行った。電子ドープとホールドープを行って比較したところ金属絶縁体転移は両方で確認されているが、超伝導転移に関しては、両者で振る舞いが異なるようである。
新たに作成したBaFe2Se3については、キュービックアンビルプレスにより高圧下で金属化が確認され、ダイヤモンドアンビルセルにより11 GPa付近で金属－絶縁体転移を示し、金属化するとほぼ同時に超伝導と思われる抵抗減少が観測された。はしご型鉄化合物BaFe2S3については、1気圧の反強磁性転移温度が過剰な鉄により変化し、超伝導転移温度Tcも過剰鉄の濃度により変化する振る舞いが報告されていたことから、BaFe2Se3についても同様の測定を行っている。また、超伝導であることの確証を得るための高圧磁気測定も進めている。
また、関連物質として鉄系超伝導物質の研究も進めている。FeSeは1気圧は磁気オーダーを示さず、高圧下で反強磁性相が出現し、圧力下で反強磁性が抑制されたところでTcの上昇が見られる事が報告されている。本研究では、良質の単結晶試料のｃ面を圧縮する異方的圧力効果を調べたところ、高圧下で出現する磁性相が増強されるという結果であった。ｃ面方向に圧縮するような異方的圧力効果の測定を進めており、今後比較を行うことによって、磁性と超伝導の関係についての理解が深まることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導と思われる抵抗減少が高圧下で観測されたはしご形構造を持つ鉄化合物のBaFe2Se3についての研究をさらに推進する。超伝導であることを確認するために、高圧下での磁気測定および結晶構造の決定を行う予定である。BaFe2Se3についてもBaFe2S3と同様にFeの化学量論比と反強磁性転移温度の相関が示されており、Feの化学量論比を変化させた物質について 高庄下で電気抵抗を測定することにより、金属―絶縁体転移、超伝導などの性質を調べる予定である。BaFe2Se3とBaFe2S3は、ともにはしご型の構造を示すが、1気圧での結晶構造、磁気構造は異なる。しかしながら、高圧下で金属―絶縁体転移を示し、また超伝導転移が観測されていると思われるので、中間組成の物質合成を行い、同様の測定を進める予定である。
はしご型鉄化合物の超伝導発現には磁性と超伝導の関係が重要な役割を果たしていると考えられることから、関連物質として鉄系超伝導物質FeSeの研究を進める。FeSeの静水圧下の研究はすでに報告があるが、FeSeは層状結晶であり、異方的な圧力を加えることにより、静水圧とは大きく異なる振る舞いが観測されていた。これらのメカニズムについて詳しく調べ、同じ鉄化合物であるはしご型超伝導との比較を行う予定である。
また、いわゆる1111型鉄系超伝導体として知られているLnFeAsO1-xHx(Lnは希土類元素)について、これまで高圧下で電気抵抗測定を行っている。1111型鉄系超伝導体は水素ドープによりオーバードープ領域まで合成され、超伝導が完全に消失したところで反強磁性が観測されている。この反強磁性相に圧力を加えたところ、超伝導と思われる抵抗減少が観測された。本研究では、鉄化合物による超伝導の理解のために、この結果が超伝導であることを確認する予定である。
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[Presentation] 梯子型超伝導体AFe2X3(A=Ba,Cs,X=S,Se)の共鳴X線散乱2018
Author(s)
田久保耕, 横山優一, 山本航平, 平田靖透, 和達大樹, 岩崎駿, 溝川貴司, Teak Boyko, Ronny Sutarto, Feizoh He, 今泉聖司, 青山拓也, 橋詰和樹, 今井良宗, 大串研也
Organizer
日本物理学会第73回年次大会（2018年）（東京理科大学）
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[Presentation] AFe2X3(A=Ba,Cs,X=S,Se)の電子構造II2017
Author(s)
田久保耕, 和達大樹A, 溝川貴司, Teak Boyko, Ronny Sutarto, Feizoh He, 今泉聖司, 青山拓也, 橋詰和樹, 今井良宗, 大串研也
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会（岩手大学）
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[Presentation] 中性子とミュオンでみた鉄系梯子型物質BaFe2Se3の動的磁性2017
Author(s)
南部雄亮, 鈴木謙介, 羽合孝文, 長尾道弘, 横尾哲也, 伊藤晋一, 岡部博孝, 幸田章宏, 門野良典, 今泉聖司, 橋詰和樹, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会（岩手大学）
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