2023 Fiscal Year Annual Research Report
Superconductivity enhanced by ferroelectricity in quantum paraelectric oxides
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23H01135
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
富岡 泰秀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60357572)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 強誘電体 / チタン酸ストロンチウム / 極性金属 / 量子臨界点 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペロブスカイト型チタン酸化物の一つである、チタン酸ストロンチウム (SrTiO3) は、低温の誘電率が、20,000 を超える量子常誘電性を示しますが、Srの一部を同価数異種イオンのCa, Ba等で置換すると、強誘電体に変化させることができます。一方、酸素欠損 (d) の導入等により電子ドープを施すと (SrTiO3-d)、極めてわずかなキャリア濃度 (n) でも金属となり、極低温にすると、超伝導 (臨界温度 Tc ~ 300 mK) を示します。
そこで、Srの一部をCa, Baで、同時にTiの一部をNbで置換すると、強誘電体に電子ドープを施すことになります。本研究では、浮遊帯域溶融 (floating zone; FZ) 法により、Ba, Nb による置換を施した Sr1-yBayTi1-xNbxO3 (0 < x < 0.02) 単結晶を作製し、Ba置換量 (y) を1.5%から7.5%に変化させ強誘電キュリー温度 (TFEC) を変えながら、極低温における輸送現象の評価などを行って、強誘電性が超伝導に与える影響を探索しました。
Sr1-yBayTiO3 の TFEC は、~25 K (y = 0.015), ~35 K (y = 0.025), and ~70 K (y = 0.075) のように変化します。それぞれの場合について、電子ドープを施し、強誘電性が消失するキャリア濃度 (n*) を評価しました。y = 0.025, 0.075 については、極低温における輸送現象の評価を行い、どちらの場合も、n ~ n*の時、Tc が最高値を示すことがわかりました。特に、y = 0.075 の場合、n ~ n* となる x = 0.007 の時、チタン酸ストロンチウム系のTcとしては最高値となる、Tc = 0.75 K に達することを見出しました。
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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
本研究では、これまで、BaおよびNb置換によって、強誘電キュリー温度 (TFEC) およびキャリア濃度 (n)、それぞれを独立に制御できる Sr1-yBayTi1-xNbxO3に焦点を当て、Ba置換量を変化させてTFEC を変えながら、単結晶を作製し、輸送現象の評価を行ってきている。Ba置換量 y = 0.025, 0.05 and 0.075 については、極低温における輸送現象評価までを完了させ、超伝導転移温度 (Tc) のキャリア濃度依存性 (Tc vs. n 曲線) を確立した。現在、y = 0.015 について輸送現象の評価、y = 0.1 について単結晶の育成を進めている。
また、SrをEuに置き換えた EuTiO3 も量子常誘電酸化物で、SrTiO3 の場合と同様、Euの一部をCa, Baで、同時にTiの一部をNbで置換した、Eu1-yAEyTi1-xNbxO3 では、強誘電体の生成やそれに対する電子ドープを施せると考えられる。現在、レーザダイオード加熱による浮遊溶融法により、元素置換を施さない EuTiO3 単結晶の育成に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
BaおよびNb置換によって、強誘電キュリー温度 (TFEC) およびキャリア濃度 (n)、それぞれを独立に制御できる Sr1-yBayTi1-xNbxO3 に関しては、Ba置換量10%程度を上限として、Ba置換量 - キャリア濃度平面上にTcを図示して、ヒートマップを作製する。さらなる超伝導転移温度の上昇に挑み、Sr1-yCayTi1-xNbxO3 に関しては、グラス的な強誘電を示す y ~ 0.1 に注目して、結晶育成と輸送現象評価を行う。EuTiO3 では、レーザダイオード加熱による浮遊溶融法により、良質大型単結晶育成が可能なので、まずは、Tiの一部をNbで置換し、精密に電子ドープ量を制御して、金属絶縁体転移や超伝導の有無を探索する。
強誘電体結晶中では、空間反転対称性が破れており、超伝導波動関数がs波でない可能性がある。その場合、超伝導は、不純物や乱れに対してより敏感になる、等が指摘されている。そこで、SrTi1-xNbxO3 において、Sr2+の一部を磁性イオンである Eu2+ (4f7) で置換し、Tc を評価して、磁性不純物効果について研究する。
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Research Products
(2 results)
