クリーンなBi2212を用いた真の電子相図の決定：超伝導機構の解明に向けて

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03849
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 渡辺 孝夫 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (40431431)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤井 武則 東京大学, 低温科学研究センター, 助教 (80361666)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 高温超伝導 / 銅酸化物 / 電子相図 / 擬ギャップ / コヒーレント温度 / プリフォームドペア / 磁気輸送特性

Outline of Annual Research Achievements

銅酸化物高温超伝導体の真の電子相図（擬ギャップの開始温度T^*、超伝導揺らぎの開始温度T_scfや電子系の散乱が抑制されるコヒーレント温度_Tcohのドープ量（p）依存性）を明らかにすることは、超伝導機構解明のために重要である。そのために、PbドープBi-2212単結晶に対する酸素量制御を行い、最適ドープ付近からオーバードープ（p ～ 0.23）まで幅広いドープ量の制御に成功した。得られた結晶の面内及び面間抵抗率測定から、これまでになく詳細な電子相図が明らかになった。i）従来の擬ギャップ温度（T^*）に加えて、面間抵抗率が底を打って急上昇に転じる温度と、面内抵抗が大きく減少に転じる温度があり、両者は一致（以下、T^**）することを見出した。従って、T^**は、新たな擬ギャップの開始温度と考えられる。さらに、T^**はp > 0.19で超伝導揺らぎの開始温度に近づいた。このことからT^**は、前駆クーパー対（プリフォームドペア）形成の温度と考えた。ii）また、面内抵抗の温度依存性の解析から、電子系がコヒーレンスを獲得する温度（T_coh）の観測に成功した。T_cohは、その相図上の現れ方が理論モデルによって異なることから、超伝導機構解明の鍵と考えられている。しかし、報告例が非常に少なく、その観測が待ち望まれていた。得られたT_cohは、従来のいずれの理論モデルとも異なるドープ量依存性を示した。このことは、銅酸化物高温超伝導体の電子相図を矛盾なく説明するためには、新しい理論モデルが必要であることを意味している。以上の結果を論文にまとめ、投稿（PRLの予定）する準備が整った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、PbドープBi-2212単結晶の酸素アニールによるドープ量の制御に成功し、最適ドープ付近からオーバードープ（p ～ 0.23）までの詳細な電子相図が明らかになった。特に、面間抵抗率と面内抵抗率の比較から、新たに前駆クーパー対（プリフォームドペア）形成に伴う擬ギャップ温度（T^**）を見出したことは、予想以上の成果である。一方、予定していた高温側の電気抵抗率の測定に関しては、装置の立ち上げ中である。

Strategy for Future Research Activity

令和３年度は、昨年度新たに見出した、前駆クーパー対（プリフォームドペア）形成に伴う擬ギャップ温度（T^**）や電子系がコヒーレンスを獲得する温度（T_coh）を確実なものとする目的で、磁気抵抗、ホール係数や室温以上の高温での電気抵抗測定などを開始する。また、昨年度育成に成功したアンダードープになりやすいPbドープBi-2212単結晶の輸送特性評価を進める。p = 0.22以上の過剰オーバードープについては、オゾンアニールを用いた研究を東大物性研との共同研究で開始する。令和４年度は、令和３年度で残された測定を行うとともに、得られた結果を論文に纏め、学会や国際会議で発表する。

Causes of Carryover

令和2年度は、コロナ禍のため出張旅費などの出費が抑えられた。一方で、本研究のような実験研究の場合、突発的な装置故障などによる出費に常に備えておかなければならないため、助成金の使用は極力節約に努めた。そのため、次年度使用額が生じた。
また、令和3年度の分担金を見直して40万円とする。その理由は、以下の通りである。磁場の影響を受けないキャパシタンスセンサーを用いた精密な磁気抵抗効果の測定に関しては、分担者と密接に協力して行っている。しかし、昨年度後期に分担者が用いていた温度コントローラーが故障し、測定不能になった。修理も難しいことから、新品を購入する。そのための代金を分担者と折半することとした。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Colorado(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Colorado
• [Journal Article] Glassy dielectric anomaly and negative magneto-capacitance effect in electrondoped Ca1－xSrxMn0.85Sb0.15O3 (2020)
  • Author(s): Haruka Taniguchi, Hidenori Takahashi, Akihiro Terui, Kensuke Sadamitsu, Yuka Sato, Michihiro Ito, Katsuhiko Nonaka, Satoru Kobayashi, Michiaki Matsukawa, Ramanathan Suryanarayanan, Nae Sasaki, Shunpei Yamaguchi, and Takao Watanabe
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 127 Pages: 184105-1-10
  • DOI: 10.1063/1.5143184
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Divergent Nematic Susceptibility near the Pseudogap Critical Point in a Cuprate Superconductor (2020)
  • Author(s): Kousuke Ishida, Suguru Hosoi, Yuki Teramoto, Tomohiro Usui, Yuta Mizukami, Kenji Itaka, Yuji Matsuda, Takao Watanabe, and Takasada Shibauchi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 064707-1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.064707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic phase diagram of Fe1+yTe1－xSex revealed by magnetotransport measurements (2020)
  • Author(s): T. Watanabe, T. Otsuka, S. Hagisawa, Y. Koshika, S. Adachi, T. Usui, N. Sasaki, S. Sasaki, S. Yamaguchi, Y. Uezono, Y. Nakanishi, M. Yoshizawa, S. Kimura
  • Journal Title: Modern Physics Letters B Volume: 34 Pages: 2040051-1-11
  • DOI: 10.1142/S0217984920400515
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Bi2223における光学反射率測定 (2021)
  • Author(s): 伊藤優汰, 水溜勝也, 中島正道, 宮坂茂樹, 佐々木菜絵, 山口隼平, 渡辺孝夫, 田島節子
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] 3層型銅酸化物Bi2223単結晶のCu-NMRによる超低ドープ域の新奇な磁気基底状態 (2021)
  • Author(s): 髙間一平, 坂本拓矢, 八島光晴, 椋田秀和, 高橋英史, 佐々木菜絵, 山口隼平, 足立伸太郎, 石田茂之, 永崎洋, 内田慎一, 伊豫彰, 渡辺孝夫
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] PbドープBi-2212で観測された二つの擬ギャップについて (2021)
  • Author(s): 原田圭市, 松田慎太郎, 寺本祐基, 臼井友洋, 伊高健治, 藤井武則, 谷口晴香, 松川倫明, 石川孟, 金道浩一, 渡辺孝夫, 野地尚
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] TeアニールされたFeTe1-xSex単結晶の超伝導揺らぎの開始温度 (2021)
  • Author(s): 渡辺孝夫, 上薗優, 富取洋俊, 原田圭市, 谷口晴香, 松川倫明, 中西良樹, 吉澤正人, 藤井武則
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] Design and characterization of single crystalline Bi-2223 mesas towards the observation of coherent terahertz radiation from trilayer intrinsic Josephson junctions (2021)
  • Author(s): Kanae Nagayama, Genki Kuwano, Shohei Suzuki, Takuya Yuhara, Shinji Kusunose, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Shintaro Adachi, Shunpei Yamaguchi, Takao Watanabe, and Manabu Tsujimoto
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cu-NMRによる3層型銅酸化物Bi2223単結晶の超低ドープ域の新奇な磁気基底状態 (2020)
  • Author(s): 髙間一平, 坂本拓矢, 八島光晴, 椋田秀和, 佐々木菜絵, 山口隼平, 足立伸太郎, 石田茂之, 永崎洋, 内田慎一, 伊豫彰, 渡辺孝夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによるAサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の局所構造研究III (2020)
  • Author(s): 手塚泰久, 上出晴輝, 任皓駿, 渡辺孝夫, 中島伸夫, 八方直久, 木村耕治, 林好一, 細川伸也
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] CaMn0.85Sb0.15O3における負の磁気誘電効果とポーラロン緩和 (2020)
  • Author(s): 谷口晴香, 定光健介, 小林悟, 松川倫明, R Suryanarayanan, 佐々木菜絵, 山口隼平, 渡辺孝夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] PbドープBi-2212単結晶におけるコヒーレント転移の観測 (2020)
  • Author(s): 原田圭市, 寺本祐基, 山口隼平, 伊高健治, 藤井武則, 谷口晴香, 松川倫明, 石川孟, 金道浩一, 渡辺孝夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] オーバードープBi-2223単結晶の面内抵抗率・ホール係数・磁気抵抗 (2020)
  • Author(s): 山口隼平, 佐々木菜絵, 足立伸太郎, 藤井武則, 野地尚, 谷口晴香, 松川倫明, 三宅厚志, 石川孟, 金道浩一, 渡辺孝夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks]
  • URL: http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~twatana/