Elucidation of gap structure and enhancement of critical current density in iron-based superconductors by swift-particle irradiations

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01141
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 為ケ井 強 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30183073)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡安 悟 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (50354824) ; 一瀬 中 一般財団法人電力中央研究所, 電力技術研究所, 上席研究員 (70371284)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 鉄系超伝導体 / 粒子線照射効果 / 臨界電流密度 / 超伝導ギャップ構造

Outline of Annual Research Achievements

鉄系超伝導体を主な対象として、プロトンや重イオン等の高エネルギー粒子線照射により生成される欠陥を用いて、基礎面では超伝導発現機構に関連する超伝導ギャップ構造の解明を、応用面では臨界電流密度の増強を目指して研究を行い、以下の成果を得た。
１、6 MeVのプロトンをBaFe2(As,P)2に照射することにより欠陥を導入し、臨界電流密度（Jc）を低温でも５倍程度増大させるることに成功した。また、磁気装飾法を用いて磁束のピン止めに直結する磁束分布の実空間観察を行い、ピン止め力の評価を行った。２、スプレー状に柱状欠陥を導入することにより鉄系超伝導体、銅酸化物高温超伝導体等では、Jcのブロードな増大が観測される（異常ピーク効果）。(Ba,K)Fe2As2における異常ピーク効果を様々な角度および密度で柱状欠陥を導入することにより調べ、欠陥構造の非対称性が異常ピーク効果を弱めることを明らかにした。３、強磁性超伝導体の中でも最大の超伝導転移温度を持つEuFe2(As,P)2におけるプロトン照射効果を詳細に調べた。４、複雑な層状構造を持つ鉄系超伝導体であるKCa2Fe4As4F2単結晶におけるJc特性および照射効果の詳細な測定を行った。５、従来型超伝導体であるNbSe2における超伝導臨界温度およびJcに対する重イオン粒子線照射効果の詳細な評価を行った。６、特異な層状欠陥を持つことが知られているCaKFe4As4単結晶において、高分解能電子顕微鏡観察を行い。層状欠陥構造の解明に成功した。７、(Ba,K)Fe2As2単結晶における低磁場での磁束格子融解的磁気応答を確認した。８、Fe1+yTe1-xSexにおいて、超伝導状態を保つことのできる最大の電流密度である対破壊電流を、収束イオンビーム加工を適用することによりブリッジ構造を作製し、評価した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

BaFe2(As,P)2において粒子線照射によるJcの増大に加え、磁束ピン止めに直結する磁束分布の直接的可視化に成功した。また、強磁性超伝導であるEuFe2(As,P)2の超伝導および強磁性状態に対する欠陥導入効果を初めて詳細に検討することに成功した。加えて、超伝導面に平行に磁場を印加したときに特異な臨界電流特性を示すCaKFe4As4における層状欠陥の詳細を高分解能電子顕微鏡観察により明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

１、柱状欠陥導入によるJcの増大を鉄系超伝導体・NbSe2だけでなく、1990年代に精力的に調べられた銅酸化物高温超伝導体と詳細な比較を行う。
２、鉄系超伝導体の10 m以上の丸型線材を作製し、超伝導コイルを構成し磁場発生を試みる。同時に、Jcのさらなる向上を目指す。
３、重イオン照射したNbSe2におけるピーク効果と導入した欠陥配置の関係を明らかにする。
４、平板状の鉄系超伝導体において磁束・反磁束境界の不安定生の磁気光学イメージングを行い、不安定性のダイナミクスの詳細を調査するとともに、マクロな磁化緩和との関係を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Politecnico di Torino(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: Politecnico di Torino
• [Int'l Joint Research] Southeast University/SIMIT, Chinese Academy of Sciences(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Southeast University/SIMIT, Chinese Academy of Sciences
• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology, Kanpur(インド)
  • Country Name: INDIA
  • Counterpart Institution: Indian Institute of Technology, Kanpur
• [Journal Article] Demonstration of Excellent Jc Performance in (AE,Na)Fe2As2 (AE: Sr, Ba) PIT Wires (2020)
  • Author(s): T. Tamegai, T. Suwa, D. Miyawaki, S. Pyon, K. Takano, H. Kajitani, N. Koizumi, and S. Awaji
  • Journal Title: IEEE Trans. Appl. Supercond. Volume: 29 Pages: 7300605_1-5
  • DOI: 10.1109/TASC.2019.2905159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of critical current density in (Ba,Na)Fe2As2 round wires using high-pressure sintering (2020)
  • Author(s): Sunseng Pyon, Daisuke Miyawaki, Tsuyoshi Tamegai, Satoshi Awaji, Hijiri Kito, Shigeyuki Ishida, and Yoshiyuki Yoshida,
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 33 Pages: 134518_1-10
  • DOI: 10.1088/1361-6668/ab804c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Achieving the depairing limit along c-axis in Fe1+yTe1-xSex single crystals (2020)
  • Author(s): Yue Sun, Haruka Ohnuma, Shinya Ayukawa, Takashi Noji, Yoji Koike, Tsuyoshi Tamegai, and Haruhisa Kitano,
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 101 Pages: 134516_1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.134516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quasi-particle evidImaging the effect of drive on the low-field vortex melting phenomenon in Ba0.6K0.4Fe2As2 single crystalence for the nematic state above Tc in SrxBi2Se3 (2020)
  • Author(s): Ankit Kumar, Amit Jash, Tsuyoshi Tamegai, and S. S. Banerjee,
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 101 Pages: 184516_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.184516
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of 6 MeV proton irradiation on vortex ensemble in BaFe2(As0.67P0.33)2 revealed through magnetization measurements and real-space vortex imaging (2020)
  • Author(s): Akiyoshi Park, Ivan Veshchunov, Akinori Mine, Sunseng Pyon, and Tsuyoshi Tamegai,
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 101 Pages: 224507_1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.224507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fully-gapped superconductivity without sign-reversal in topological superconductor PbTaSe2 (2020)
  • Author(s): Yue Sun, Shunichiro Kittaka, Toshiro Sakakibara, Kazushige Machida, R. Sankar, Xiaofeng Xu, Nan Zhou, XiangZhuo Xing, Zhixiang Shi, Sunseng Pyon, and Tsuyoshi Tamegai,
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 102 Pages: 024517_1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.024517
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of asymmetric splayed columnar defects in Ba0.6K0.4Fe2As2 (2020)
  • Author(s): Ayumu Takahashi, Sunseng Pyon, Tadashi Kambara, Atsushi Yoshida, and Tsuyoshi Tamegai,
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 89 Pages: 094705_1-8
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.094705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of proton irradiation on the magnetic superconductor EuFe2(As1-xPx)2 (2020)
  • Author(s): G. Ghigo, D. Torsello, R. Gerbaldo, L. Gozzelino, R. Gerbaldo, S. Pyon, I. Veshchunov, T. Tamegai, and G. Cao,
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 33 Pages: 094011_1-7
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aba355
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Twofold role of columnar defects in iron based superconductors (2020)
  • Author(s): D. Torsello, R. Gerbaldo, L. Gozzelino, F. Laviano, A. Takahashi, A. Park, S. Pyon, A. Ichinose, T. Tamegai, and G. Ghigo,
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 33 Pages: 094011_1-7
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aba350
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developments of (Ba,Na)Fe2As2 and CaKFe4As4 HIP Round Wires (2020)
  • Author(s): T. Tamegai, S. Pyon, D. Miyawaki, Y. Kobayashi, S. Awaji, H. Kito, S. Ishida, Y. Yoshida, K. Takano, H. Kajitani, and N. Koizumi,
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 33 Pages: 104001_1-13
  • DOI: 10.1088/1361-6668/abaa38
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anisotropic physical properties and large critical current density in KCa2Fe4As4F2 single crystal (2020)
  • Author(s): Sunseng Pyon, Yuto Kobayashi, Ayumu Takahashi, Wenjie Li, Teng Wang, Gang Mu, Ataru Ichinose, Tadashi Kambara, Atsushi Yoshida, and Tsuyoshi Tamegai,
  • Journal Title: Phys. Rev. Mater. Volume: 4 Pages: 104801_1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.104801
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of 800 MeV Xe Irradiation on 2H-NbSe2 Single Crystals (2020)
  • Author(s): Wenjie Li, Tsuyoshi Tamegai, Sunseng Pyon, Ayumu Takahashi, Daisuke Miyawaki, and Yuto Kobayashi,
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1590 Pages: 033110_1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Point Defects Introduced by Co-doping and Proton Irradiation in CaKFe4As4 (2020)
  • Author(s): Y. Kobayashi, S. Pyon, A. Takahashi, and T. Tamegai,
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1590 Pages: 012014_1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Splayed Columnar Defects on Critical Current Density in CaKFe4As4 (2020)
  • Author(s): A. Takahashi, S. Pyon, Y. Kobayashi, T. Kambara, A. Yoshida, S. Okayasu, A. Ichinose, and T. Tamegai,
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1590 Pages: 012015_1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication and Characterizations of KCa2Fe4A4F2 Superconducting HIP Wires (2020)
  • Author(s): S. Pyon, D. Miyawaki, T. Tamegai, H. Kajitani, N. Koizumi, S. Awaji, H. Kito, S. Ishida, and Y. Yoshida,
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1590 Pages: 012026_1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012026
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of (Ba,Na)Fe2As2 Round Wires and Tapes using HIP Process (2020)
  • Author(s): D. Miyawaki, S. Pyon, S. Awaji, H. Kajitani, N. Koizumi, H. Kito, S. Ishida, Y. Yoshida, and T. Tamegai,
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1590 Pages: 012027_1-10
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012027
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elucidating the origin of planar defects that enhance critical current density in CaKFe4As4 single crystals (2020)
  • Author(s): Ataru Ichinose, Sunseng Pyon, Tsuyoshi Tamegai, and Shigeyuki Ishida,
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 34 Pages: 034003_1-7
  • DOI: 10.1088/1361-6668/abdba7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Anisotropic Critical Current Densities in Ba1-xKxFe2As2 with Splayed Columnar Defects (2021)
  • Author(s): Jiachen Wang
  • Organizer: 第 12 回 低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] トポロジカル超伝導体 SrxBi2Se3単結晶の成長と超伝導転移に対するアニール効果 (2021)
  • Author(s): 松前 拓実
  • Organizer: 第 12 回 低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] Anisotropic Critical Current Densities in Ba0.6K0.4Fe2As2 and YBa2Cu3O7 with Splayed Columnar Defects (2021)
  • Author(s): Jiachen Wang, Nozomu Ito, Sunseng Pyon, Terukazu Nishizaki, Yue Sun, Haruhisa Kitano, Tsuyoshi Tamegai
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] Out-of-plane transport property of FeSe single crystal (2021)
  • Author(s): Y. Sun, T. Miyazawa, T. Tamegai, H. Kitano
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] Ba1-xAexFe2As2(Ae:Na,K)丸線を用いた超伝導コイルの性能向上 (2021)
  • Author(s): 卞舜生, 森春仁, 為ヶ井強, 梶谷秀樹, 小泉徳潔, 鬼頭聖, 淡路智
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] 122型鉄系超伝導体(Ba0.5K0.5)Fe2As2におけるCo置換の臨界電流密度への効果 (2021)
  • Author(s): 小林優斗, 卞舜生, 為ヶ井強
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] トポロジカル超伝導体SrxBi2Se3単結晶の成長と超伝導転移に対するアニール効果 (2021)
  • Author(s): 松前拓実, 卞舜生, 松澤創一郎, 為ヶ井強
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] 積層コーテッドコンダクターと鉄系バルク体を用いたハイブリッド捕捉磁場マグネット (2021)
  • Author(s): 陶山正裕, 卞舜生, 飯島康裕, 淡路智, 為ヶ井強
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] Critical Current Density and Vortex Dynamics in Pristine and Irradiated (Ba1-xRbx)Fe2As2 (2021)
  • Author(s): 任統, 卞舜生, 為ヶ井強
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] Magnetic relaxation in 2H-NbSe2 with splayed columnar defects (2021)
  • Author(s): Wenjie Li, Sunseng Pyon, Ataru Ichinose, Satoru Okayasu, and Tsuyoshi Tamegai
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] FIBピックアップ法による鉄カルコゲナイド超伝導体の面間ナノブリッジ素子の作製と電流電圧特性 (2021)
  • Author(s): 宮沢貴麿, 田所直紀, 為ヶ井強, 孫悦, 北野晴久
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] BaFe2(As1-xPx)2単結晶における面間微小ブリッジの作製と臨界電流密度測定 (2021)
  • Author(s): 神保恒大郎, 峯直輝, 孫悦, 為ヶ井強, 北野晴久
  • Organizer: 第76回日本物理学会年会
• [Presentation] CaKFe2As2とKCa2Fe4As4F2 における磁束状態 (2021)
  • Author(s): 為ヶ井 強, 小林優斗, 多屋奏一, 卞 舜生, T. Wang, G. Mu, 石田茂之, 一瀬 中, 岡安悟, 神原 正,吉田 敦
  • Organizer: 超伝導物質・トポロジカル物質2020 ワークショップ
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Achieving the depairing limit along c-axis in Fe(Te,Se) single crystals (2020)
  • Author(s): Y. Sun, H. Ohnuma, S. Ayukawa, T. Noji, Y. Koike, T. Tamegai, H. Kitano
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 1144型鉄系超伝導体CaK(Fe1-xCox)4As4におけるスプレイド柱状欠陥の臨界電流密度への効果 (2020)
  • Author(s): 小林優斗, 卞舜生, 神原正, 吉田敦, 岡安悟, 一瀬中, 為ヶ井強
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Ba1-xAexFe2As2(Ae:Na,K)丸線を用いた超伝導コイルの開発 (2020)
  • Author(s): 卞舜生, 為ヶ井強, 梶谷秀樹, 小泉徳潔, 鬼頭聖, 淡路智
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] トポロジカル超伝導体SrxBi2Se3単結晶の成長とネマティックドメインの観測 (2020)
  • Author(s): 松前拓実, 為ヶ井強, 卞舜生
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 鉄系超伝導体(BaxRb1-x)Fe2As2の単結晶成長と評価 (2020)
  • Author(s): 任統, 卞舜生, 為ヶ井強
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 積層コーテッドコンダクターを用いた強磁場マグネット (2020)
  • Author(s): 陶山正裕, 卞舜生, 飯島康裕, 淡路智, 為ヶ井強
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Fe(Te,Se)単結晶の面内微小ブリッジ素子の作製と対破壊電流密度測定 (2020)
  • Author(s): 峯直輝, 孫悦, 堀川舜平, 平祥樹, 為ヶ井強, 北野晴久
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Magnetic relaxation in 2H-NbSe2 single crystals with columnar defects (2020)
  • Author(s): Wenjie Li, Sunseng Pyon, Ataru Ichinose, Satoru Okayasu, Tsuyoshi Tamegai
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Fabrications and Characterizations of (Ba,Na)Fe2As2 Wires and Tapes (2020)
  • Author(s): T. Tamegai, D. Miyawaki, S. Pyon, W. X. Wu, H. Kajitani, N. Koizumi, S. Awaji
  • Organizer: Applied Superconductivity 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lattice expansion, peak effect, and pinning landscape in 2H-NbSe2 single crystals after particle irradiation (2020)
  • Author(s): W. J. Li, S. Pyon, A. Ichinose, S. Okayasu, and T. Tamegai
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Superconducting Coils using (Ba,Na)Fe2As2 Round Wires with Large Critical Current (2020)
  • Author(s): S. Pyon, H. Mori, T. Tamegai, H. Kajitani, N. Koizumi, S. Awaji, H. Kito, S. Ishida, and Y Yoshida
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and Characterization of Iron-based Superconductor (Ba1-xRbx)Fe2As2 Single Crystals (2020)
  • Author(s): T. Ren, S. Pyon, and T. Tamegai
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crossed-Field Demagnetization of a BaHfO3-EuBa2Cu3O7 Coated Conductor (2020)
  • Author(s): M. Suyama, S. Pyon, Y. Iijima, and T. Tamegai
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropic Critical Current Densities in Ba0.6K0.4Fe2As2 Superconductors with Splayed Columnar Defects (2020)
  • Author(s): J. Wang, A. Takahashi, S. Pyon, A. Yoshida, T. Kambara, Y. Sun, H. Kitano, and T. Tamegai
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Focused ion beam microfabrication of single-crystal nanobridge toward Fe(Te,Se)-based Josephson device (2020)
  • Author(s): T. Miyazawa, N. Tadokoro, T. Tamegai, Y. Sun, and H. Kitano
  • Organizer: ISS2020
  • Int'l Joint Research