2018 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of coexistence between superconductivity and magnetic order using rutheno-cuprate magnetic superconductor single crystal
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18K04921
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| Research Institution | Utsunomiya University |
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Principal Investigator |
八巻 和宏 宇都宮大学, 工学部, 助教 (90579757)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ルテニウム系銅酸化物 / 磁性超伝導体 / 単結晶 / 固有ジョセフソン接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は磁性と超伝導が共存し結晶構造内部に超伝導層(S)／（反）強磁性層(F)／超伝導層(S)が原子層のオーダで積層した接合（SFS接合）を含有する新奇固有ジョセフソン接合として期待されるルテニウム系銅酸化物高温超伝導体（組成式：RuSr2GdCu2O8，RuGd-1212）の「単結晶」を申請者が独自に開発してきた「部分溶融法」により合成すること，更に，当該単結晶試料に適切なポストアニールを加えることで超伝導と強磁性の共存を実験的に確かめることである．
今年度は部分溶融法の合成条件の最適化に取り組み，結晶サイズの大型化に先ずは取り組んだ．その結果，一辺150ミクロンサイズの立方体形状の単結晶を安定して得ること成功した．しかし得られた試料の伝導は室温で金属的なものの低温で局在化し，超伝導は示さなかった．この原因を解明するため，単結晶エックス線回折による構造精密化を実施した．その結果，結晶を形成する（反）強磁性層を形成する絶縁層を担うSrサイトを磁性元素であるGdが部分置換していることが明らかとなった．ルテニウム系銅酸化物高温超伝導体は結晶粒が大きくなると超伝導性が消失する傾向がある．そのため，この系の超伝導は外因的なもので本質的でない，と考える物性研究者も多い．本研究では，非超伝導単結晶試料の構造精密化により超伝導の消失が陽イオンの相互置換に起因する可能性があることを実験的に示唆する結果を得ることに成功した．
更に部分溶融法における合成条件を検討した．その結果，合成温度の低下により超伝導を示すルテニウム系銅酸化物単結晶の合成に成功した．試料の超伝導性は再現性があり，次年度以降，超伝導と強磁性の共存に関して更に詳細に研究を進めていく予定である．
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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
当初想定したRuGd-1212系に関しては単結晶エックス線回折による構造精密化の結果，超伝導の消失がSrサイトへの磁性Gdの部分置換であることを明らかとした．更に合成条件を検討することで超伝導を示す試料が安定して合成できる様になってきた．これらの試料を構造解析，磁化測定を進めることで，この系の超伝導性と磁性に関して，単結晶試料を用いて評価できる目処が一定程度得られた．
また，希土類イオンをEuとしたRuEu-1212や希土類層が2層のRuGd-1222といった類型化合物の単結晶の合成に成功した．そのため，元素，構造による変化が超伝導性，磁性に与える影響を系統的に評価するところまで実験を進められる可能性が出てきた．前述のRuEu-1212，RuGd-1222の単結晶はこれまで報告がなく，本研究で初めて合成に成功した．競合する研究グループもなく，独自手法により合成した単結晶というアドバンテージを持って今後研究を進める．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在，最も大きな単結晶粒が得られ，かつ超伝導の強いRuGd-1212に注目して研究を進めていくのは変わらない．超伝導を示す単結晶を再現性良く得る手段の確立に成功した．そこで先ずは非超伝導と超伝導の単結晶間の差異を単結晶エックス線回折による構造精密化で更にはっきりと区別する．併せて高圧酸素処理を施すことで，多結晶体において転移温度の上昇が報告されているので，この点に関して確認する．また，RuEu-1212系，RuGd-1222系に関してはRuGd-1212に比べまだまだ単結晶の大きさが小さいので合成条件の改善に引き続き取り組む．
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| Causes of Carryover |
フローメータ内蔵ガス混合装置を自作配管で代替し，安価にした．また，測定装置などを問屋を介して安価に購入することで若干の余剰が生じた．液体ヘリウムの価格が2019年1月以降，上昇するという連絡があり，次年度以降の予算との兼ね合いから，研究計画を安定して進めるため10%弱繰り越すこととした．試料合成，測定時の冷却用寒剤等，研究の推進に充当する．
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