コドーピングによる高臨界温度鉄系超伝導体の創成と超伝導増強因子の解明

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25400372
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 工藤 一貴 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (40361175)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 鉄系超伝導体 / 新物質開発 / 高温超伝導

Research Abstract

鉄ヒ素系化合物は化学ドープへの許容性が高い。鉄ヒ素層およびスペーサー層の各サイトに多様な化学種をドープすることができ、その結果、超伝導を発現する。網羅的かつ系統的な化学ドープが行われ、最高の臨界温度Tcは、1111 型で55 K (SmFeAsO1-xFx)、122 型で38 K (Ba1-xKxFe2As2)に達した。一見すると、化学ドープにはもはや工夫の余地はないように思えた。それに対し、私は、122型CaFe2As2にLaとPをコドープ（同時にドープ）すると、Tc = 45 Kの超伝導が発現することを見出した。本研究では、2つの化学種をコドープすることによって生じる新たな超伝導増強因子を抽出することを目的とする。
平成25年度は、この系における超伝導相と反強磁性秩序相の関係を調べるため、Ca1-xLaxFe2(As1-yPy)2の電子相図を作成した。組成を系統的に変えた単結晶試料を育成し、磁化測定と電気抵抗測定を行った結果、超伝導相が、反強磁性秩序相に隣接しないことが分かった。一般に鉄系の超伝導相は反強磁性秩序相に隣接し、そのため磁性に由来する超伝導機構が有効であると議論されている。本研究の結果は、磁性以外にも、超伝導発現を媒介する機構が鉄系に存在することを示唆する。予備的ではあるが、そのヒントが構造解析から得られた。122型特有の構造相転移である格子コラプス転移の揺らぎが重要な役割を果たしている可能性がある。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成25年度の研究実施計画は、（１）良質単結晶試料の育成、（２）粉末X線回折による試料評価、（３）化学組成分析、（４）超伝導状態に相転移する臨界温度の決定と反強磁性転移の有無の検証により構成されている。それらの結果をもとに電子相図を作成し、Tc = 45 Kの超伝導相と反強磁性相の関係を明らかにすることを目的とした。全て順調に進み、研究実績欄に記述した成果が得られた。
研究実績欄の最後に記載した構造解析の結果は、平成26年度の研究実施計画に含まれる。したがって、本研究は当初の計画以上に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

（１）結晶構造解析を進め、Tc = 45 Kの超伝導が格子コラプス転移（構造相転移）の揺らぎによって生じるという仮説を実証する。格子コラプス転移は面間のAs-As結合形成をきっかけにして起こる。そこで、本研究では、構造パラメータを精密化してAs-As間距離とTcの相関を調べる。
（２）コドープが有効に機能する他の超伝導体を探索する。２種類の化学種を同時にドープするコドープのアイデアは独創的であるが、個々のドープ手法自体は一般に用いられる方法である。本研究で得られた知見を超伝導体開発の普遍的な手法として波及させるため、CaFe2As2以外の化合物へ研究を展開させる。

Research Products

• [Journal Article] Momentum-resolved resonant inelastic X-ray scattering on a single crystal under high pressure (2014)
  • Author(s): M. Yoshida, K. Ishii, I. Jarrige, T. Watanuki, K. Kudo, Y. Koike, K. Kumagai, N. Hiraoka, H. Ishii, K.-D. Tsuei, and J. Mizuki
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 21 Pages: 131-135
  • DOI: 10.1107/S1600577513028944
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge-orbital-lattice coupling effects in the dd excitation profile of one-dimensional cuprates (2014)
  • Author(s): J. J. Lee, B. Moritz, W. S. Lee, M. Yi, C. J. Jia, A. P. Sorini, K. Kudo, Y. Koike, K. J. Zhou, C. Monney, V. Strocov, L. Patthey, T. Schmitt, T. P. Devereaux, and Z. X. Shen
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Pages: 041104(R) (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.041104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Superconductivity up to 43 K by P/Sb Doping of Ca1-xLaxFeAs2 (2014)
  • Author(s): K. Kudo, T. Mizukami, Y. Kitahama, D. Mitsuoka, K. Iba, K. Fujimura, N. Nishimoto, Y. Hiraoka, and M. Nohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 025001 (1-2)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.025001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Switching of Conducting Planes by Partial Dimer Formation in IrTe2 (2014)
  • Author(s): T. Toriyama, M. Kobori, T. Konishi, Y. Ohta, K. Sugimoto, J. Kim, A. Fujiwara, S. Pyon, K. Kudo, and M. Nohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 033701 (1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Important Roles of Te 5p and Ir 5d Spin-Orbit Interaction on the Multi-Band Electronic Structure of Triangular Lattice Superconductor Ir1-xPtxTe2 (2014)
  • Author(s): D. Ootsuki, T. Toriyama, M. Kobayashi, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, T. Sugimoto, T. Yoshida, M. Horio, A. Fujimori, M. Arita, H. Anzai, H. Namatame, M. Taniguchi, N. L. Saini, T. Konishi, Y. Ohta, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 033704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Te 5p orbitals bring three-dimensional electronic structure to two-dimensional Ir0.95Pt0.05Te2 (2014)
  • Author(s): D. Ootsuki, T. Toriyama, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, K. Horiba, M. Kobayashi, K. Ono, H. Kumigashira, T. Noda, T. Sugimoto, A. Fujimori, N. L. Saini, T. Konishi, Y. Ohta, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Pages: 104506 (1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.104506
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characteristic two-dimensional Fermi surface topology of high-Tc iron-based superconductors (2014)
  • Author(s): M. Sunagawa, T. Ishiga, K. Tsubota, T. Jabuchi, J. Sonoyama, K. Iba, K. Kudo, M. Nohara, K. Ono, H. Kumigashira, T. Matsushita, M. Arita, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Pages: 4381 (1-6)
  • DOI: 10.1038/srep04381
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Band Jahn-Teller Effects and Peierls Instability in IrTe2 (2013)
  • Author(s): D. Ootsuki, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, M. Horio, T. Yoshida, A. Fujimori, M. Arita, H. Anzai, H. Namatame, M. Taniguchi, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 428 Pages: 012018 (1-4)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/428/1/012018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity induced by breaking Te2 dimers of AuTe2 (2013)
  • Author(s): K. Kudo, H. Ishii, M. Takasuga, K. Iba, S. Nakano, J. Kim, A. Fujiwara, and M. Nohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 063704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.063704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collapsed tetragonal phase transition of Ca(Fe1-xRhx)2As2 studied with photoemission spectroscopy (2013)
  • Author(s): K. Tsubota, T. Wakita, H. Nagao, C. Hiramatsu, T. Ishiga, M. Sunagawa, K. Ono, H. Kumigashira, M. Danura, K. Kudo, M. Nohara, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 073705 (1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.073705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of Lattice Coupling in Establishing Electronic and Magnetic Properties in Quasi-One-Dimensional Cuprates (2013)
  • Author(s): W. S. Lee, S. Johnston, B. Moritz, J. Lee, M. Yi, K. J. Zhou, T. Schmitt, L. Patthey, V. Strocov, K. Kudo, Y. Koike, J. van den Brink, T. P. Devereaux, and Z. X. Shen
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 110 Pages: 265502 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.265502
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of structural phase transition in IrTe2 by isovalent Rh doping (2013)
  • Author(s): K. Kudo, M. Kobayashi, S. Pyon, and M. Nohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 085001 (1-2)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.085001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of hybrid-type pressure cell for high-pressure and high-field ESR measurement (2013)
  • Author(s): K. Fujimoto, T. Sakurai, S. Okubo, H. Ohta, K. Matsubayashi, Y. Uwatoko, K. Kudo, Y. Koike
  • Journal Title: Applied Magnetic Resonance Volume: 44 Pages: 893-898
  • DOI: 10.1007/s00723-013-0441-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure reconstruction by orbital symmetry breaking in IrTe2 (2013)
  • Author(s): D. Ootsuki, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, M. Horio, T. Yoshida, A. Fujimori, M. Arita, H. Anzai, H. Namatame, M. Taniguchi, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 093704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.093704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Seebeck effect in electron-doped FeAs2 driven by a quasi-one-dimensional pudding-mold-type band (2013)
  • Author(s): H. Usui, K. Suzuki, K. Kuroki, S. Nakano, K. Kudo, and M. Nohara
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Pages: 075140 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.075140
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancing high-temperature thermoelectric properties of PtAs2 by Rh doping (2013)
  • Author(s): K. Kudo, S. Nakano, T. Mizukami, T. Takabatake, and M. Nohara
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 103 Pages: 092107 (1-3)
  • DOI: 10.1063/1.4819953
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of superconductivity near the structural phase boundary in Pt-doped IrTe2 single crystals (2013)
  • Author(s): S. Pyon, K. Kudo, and M. Nohara
  • Journal Title: Physica C Volume: 494 Pages: 80-84
  • DOI: 10.1016/j.physc.2013.04.055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure-induced superconductivity in mineral calaverite AuTe2 (2013)
  • Author(s): S. Kitagawa, H. Kotegawa, H. Tou, H. Ishii, K. Kudo, M. Nohara, and H. Harima
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 113704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.113704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity in Ca10(Ir4As8)(Fe2As2)5 with Square-Planar Coordination of Iridium (2013)
  • Author(s): K. Kudo, D. Mitsuoka, M. Takasuga, Y. Sugiyama, K. Sugawara, N. Katayama, H. Sawa, H. S. Kubo, K. Takamori, M. Ichioka, T. Fujii, T. Mizokawa, and M. Nohara
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 3 Pages: 3101 (1-5)
  • DOI: 10.1038/srep03101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity in Ca1-xLaxFeAs2: A Novel 112-Type Iron Pnictide with Arsenic Zigzag Bonds (2013)
  • Author(s): N. Katayama, K. Kudo, S. Onari, T. Mizukami, K. Sugawara, Y. Sugiyama, Y. Kitahama, K. Iba, K. Fujimura, N. Nishimoto, M. Nohara, and H. Sawa
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 123702 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.123702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local structural displacements across the structural phase transition in IrTe2: Order-disorder of dimers and role of Ir-Te correlations (2013)
  • Author(s): B. Joseph, M. Bendele, L. Simonelli, L. Maugeri, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Pages: 224109 (1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.224109
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 鉄系および関連物質における新超伝導体の開発 (2014)
  • Author(s): 工藤一貴
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会（第8回（2014年）日本物理学会若手奨励賞（領域8）受賞記念講演）
  • Place of Presentation: 東海大学（平塚）
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] 平面四配位Ir4As8層を持つ鉄系超伝導体Ca10(Ir4As8)(Fe2As2)5の発見 (2014)
  • Author(s): 工藤一貴，光岡大輔，高須賀政哉，杉山由季，菅原健人，片山尚幸，澤博，久保宏昭，高森健太，市岡優典，藤井達生，溝川貴司，野原実
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学（平塚）
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] 鉄系超伝導体の新物質開発 (2013)
  • Author(s): 工藤一貴
  • Organizer: CROSSroads of Users and J-PARC 第９回「超伝導、磁性とフラストレーション」
  • Place of Presentation: KEK（東海）
  • Year and Date: 20131203-20131205
  • Invited
• [Presentation] Superconductivity at 45 K in La and P co-doped CaFe2As2 (2013)
  • Author(s): K. Kudo, K. Iba, and M. Nohara
  • Organizer: International Workshop on Novel Superconductors and Super Materials 2013 (NS22013)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131121-20131122
• [Presentation] Emergence of superconductivity at 45 K by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • Author(s): K. Kudo, K. Iba, and M. Nohara
  • Organizer: 26th International Symposium on Superconductivity (ISS2013)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131118-20131120
  • Invited
• [Presentation] LaとPをコドープしたCaFe2As¬2における臨界温度45 Kの超伝導 (2013)
  • Author(s): 工藤一貴
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会「鉄系高温超伝導の物理～スピンと軌道の協奏～」
  • Place of Presentation: 京都大学（京都）
  • Year and Date: 20131008-20131009
  • Invited
• [Presentation] Superconductivity at 45 K induced by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • Author(s): K. Kudo, K. Iba, M. Takasuga, Y. Kitahama, J. Matsumura, M. Danura, Y. Nogami, and M. Nohara
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2013)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130805-20130809
• [Presentation] Emergence of superconductivity at 45 K induced by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • Author(s): K. Kudo
  • Organizer: ICC-IMR International Workshop “Superconductivity research advanced by new materials and spectroscopies”
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20130723-20130725
  • Invited
• [Presentation] 分子状ダイマーの形成・切断による超伝導体開発 (2013)
  • Author(s): 工藤一貴
  • Organizer: 応用物理学会超伝導分科会第４７回研究会「高温超伝導体の鉱脈を探せ！」
  • Place of Presentation: 公益財団法人 国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）（東京）
  • Year and Date: 20130705-20130705
  • Invited
• [Remarks] 「次代を拓く-工業材料キーワード３２」に選出
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/news/news_id3106.html
• [Remarks] レアアースの含有量を減らした新しい高温超電導体を開発
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id110.html
• [Remarks] 熱を電気に変換できる熱電物質の高性能化に成功
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/soumu-pdf/press25/press-130925-10.pdf
• [Patent(Industrial Property Rights)] 鉄系超電導物質及びその製造方法 (2013)
  • Inventor(s): 澤博，片山尚幸，細野秀雄，野原実，工藤一貴
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 岡山大学、名古屋大学、東京工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2013-199997
  • Filing Date: 2013-09-26