Ca-Fe-As三元系における新規鉄系超伝導体の開発と転移温度上昇機構の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26287082
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 野原 実 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (70272531)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 鉄系超伝導

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、Ca-Fe-As三元系の物質開発を進め、ヒ素の化学を利用した超伝導転移温度上昇のアイデアを試み、転移温度上昇の物質条件を明らかにすることを目的としている。このなかで平成２６年度は、2013年に筆者らが八件した新しい鉄系超伝導体112型CaFeAs2における物質開発と超伝導転移温度上昇機構の解明に取り組んだ。以下にその研究実績を記す。
1. LaとSbをコドープしたCaFeAs2の電子相図を作成し超伝導増強因子を明らかにした。溶融法により様々なLaとSb組成の単結晶試料を育成し、蛍光Ｘ線による化学組成分析、粉末Ｘ線回折による結晶構造解析、磁化と電気抵抗率による超伝導特性の測定を進め、超伝導転移温度と組成についての電子相図を完成させた。Laドープ量xが0.12から0.25の範囲で112相が生成し、La量x=0.12、Sb量y=0.1において最高の超伝導転移温度Tc= 47 Kが得られた。La量xの増加とともにTcは低下し、x=0.25で超伝導は消失した。構造解析の結果、LaドープによりAs-Fe-Asの結合角が正四面体の最適値に近づくときTcが最高値を示すことが明らかになった。
2. イオン半径がLaよりも小さいCe, Pr, Ndをドープした112型CaFeAs2における超伝導の発見。Ceドープは超伝導を示さなかった。PrおよびNdドープでは10K程度の超伝導が発現した。いずれもSbをコドープするとTc=43Kの超伝導が現れることが明らかになった。
3. 関連物質の開発の課程で新調伝導体 Li2IrSi3 を発見した。Tcは3.8Kであった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の研究実施計画を概ね達成した。単結晶試料の大型化が進まず、角度分解光電子分光実験の共同研究が進展しなかったので (2) おおむね順調に進展しているという評価とした。一方で EXAFS の実験に充分な品質の微小結晶を育成することができた。H27年度の初めにイタリアの放射光施設において国際共同実験を行うことになっている。

Strategy for Future Research Activity

超伝導転移温度と組成に関する相図に続いて、反強磁性秩序と組成に関する相図の作成に取りかかる。このために国内共同研究としてH27年年度の中性子散乱およびミュオンスピン回転実験の申請を行い、採択された。必要量の試料の合成を急ピッチで進めている。
また、ヒ素の化学を利用した新物質の開発を引き続き推進する。

Causes of Carryover

申請時に購入を予定していた設備備品（単結晶育成用ブリッジマン炉）を購入する必要が無くなったため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

消耗品費（石英ガラス管、アルミナ坩堝、試薬、ガスボンベ、寒剤など）、国内旅費、海外旅費、英文校正、Ｘ線装置使用料など、平成２７年度の研究計画の遂行に必要な経費として使用する。

Research Products

• [Journal Article] Simultaneous suppression of superconductivity and structural phase transition against pressure in Ca10(Ir4As8)(Fe2-xIrxAs2)5 (2014)
  • Author(s): S. Kitagawa, S. Araki, T. C. Kobayashi, H. Ishii, K. Fujimura, D. Mitsuoka, K. Kudo, and M. Nohara
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Pages: 224513-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.224513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Pt substitution on the electronic structure of AuTe2 (2014)
  • Author(s): D. Ootsuki, K. Takubo, K. Kudo, H. Ishii, M. Nohara, N. L. Saini, R. Sutarto, F. He, T. Z. Regier, M. Zonno, M. Schneider, G. Levy, G. A. Sawatzky, A. Damascelli, T. Mizokawa
  • Journal Title: Phys. Rev. B. Volume: 90 Pages: 44515-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.144515
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Synchrotron X-ray diffraction study of the Structural Phase Transition in Ca10(Ir4As8)(Fe2－xIrxAs2)5 (2014)
  • Author(s): N. Katayama, K. Sugawara, Y. Sugiyama, T. Higuchi, K. Kudo, D. Mitsuoka, T. Mizokawa, M. Nohara, and H. Sawa
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 83 Pages: 113707-1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.113707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitonic Bose-Einstein condensation in Ta2NiSe5 above room temperature (2014)
  • Author(s): K. Seki, Y. Wakisaka, T. Kaneko, T. Toriyama, T. Konishi, T. Sudayama, N. L. Saini, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, N. Katayama, M. Nohara, H. Takagi, T. Mizokawa, and Y. Ohta
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Pages: 155116-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.155116
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Determination of temperature-dependent atomic displacements in the Ca10Ir4As8(Fe2As2)5 superconductor with a metallic spacer layer (2014)
  • Author(s): E. Paris, B. Joseph, A. Iadecola, C. Marini, K. Kudo, D. Mitsuoka, M. Nohara, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Pages: 094508-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.094508
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Temperature dependent nanoscale atomic correlations in Ir1－xPtxTe2 (x = 0.0, 0.03 and 0.04) system (2014)
  • Author(s): B. Joseph, E. Paris, D. F. Mulato-Gomez, L. Simonelli, M. Bendele, L. Maugeri, A. Iadecola, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, J. Mustre de Leon, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 26 Pages: 375702-1-6
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/37/375702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity in Noncentrosymmetric Iridium Silicide Li2IrSi3 (2014)
  • Author(s): S. Pyon, K. Kudo, J. Matsumura, H. Ishii, G. Matsuo, M. Nohara, H. Hojo, K. Oka, M. Azuma, V. O. Garlea, K. Kodama, S. Shamoto
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 093706-1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.093706
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Superconducting Transition Temperatures of up to 47 K from Simultaneous Rare-Earth Element and Antimony Doping of 112-Type CaFeAs2 (2014)
  • Author(s): K. Kudo, Y. Kitahama, K. Fujimura, T. Mizukami, H. Ota, and M. Nohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 093705-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.093705
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bond order and the role of ligand states in stripe-modulated IrTe2 (2014)
  • Author(s): K. Takubo, R. Comin, D. Ootsuki, T. Mizokawa, H. Wadati, Y. Takahashi, G. Shibata, A. Fujimori, R. Sutarto, F. He, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, G. Levy, I. S. Elfimov, G. A. Sawatzky, and A. Damascelli
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Pages: 081104(R)-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.081104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coexistence of Bloch electrons and glassy electrons in Ca10(Ir4As8)(Fe2－xIrxAs2)5 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2014)
  • Author(s): K. Sawada, D. Ootsuki, K. Kudo, D. Mitsuoka, M. Nohara, T. Noda, K. Horiba, M. Kobayashi, K. Ono, H. Kumigashira, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Physica Review B Volume: 89 Pages: 220508(R)-1-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.220508
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Material design of iron-based superconductors using arsenic chemistry (2015)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: SMEC2015 (Strudy of Matter at Extreme Conditions)
  • Place of Presentation: Miami, USA
  • Year and Date: 2015-03-08 – 2015-03-15
  • Invited
• [Presentation] ヒ素の化学を利用した高温超伝導物質の開発 (2015)
  • Author(s): 野原実
  • Organizer: 24th CEMS Colloquium, 理化学研究所創発物性科学研究センター
  • Place of Presentation: 理化学研究所、埼玉
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-28
  • Invited
• [Presentation] Development of high-Tc superconductivity using arsenic chemistry (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: Ushimado International Workshop on Physics and Chemistry of Novel Superconductors and Related Materials
  • Place of Presentation: Okayama, Japan
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-10
• [Presentation] 新しい層状物質超伝導体開発の現状と展望 (2014)
  • Author(s): 野原実
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋期大会、JPSJフレンドシップミーティング
  • Place of Presentation: 中部大学、名古屋
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • Invited
• [Presentation] Material design of iron-based superconductors using chemistry of arsenic (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: 13th Bilateral German-Japanese Symposium "Interplay of Spin- and Orbital Degrees of Freedom in Strongly Correlated Electron Systems"
  • Place of Presentation: Ringberg Castle, Germany
  • Year and Date: 2014-07-13 – 2014-07-16
  • Invited
• [Presentation] Enhancing high-temperature power factor of PtAs2 by chemical doping (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: International Conference on Thermoelectrics -- ITC2014
  • Place of Presentation: Nashville, Tennessee, USA
  • Year and Date: 2014-07-06 – 2014-07-10
  • Invited
• [Presentation] Design of Iron-based Superconductors using the Arsenic Bond Making and Breaking (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: EMN (Energy Materials Nanotechnology) Summer Meeting
  • Place of Presentation: Cancun, Mexico
  • Year and Date: 2014-06-09 – 2014-06-12
  • Invited
• [Presentation] Material design of iron-based superconductors using arsenic chemistry (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: International Workshop of Computational Nano-Materials Design on Green Energy
  • Place of Presentation: Osaka University, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-03
  • Invited
• [Presentation] Development of high-Tc superconductivity using the chemistry of arsenic (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: OIST International Workshop on Novel Quantum Materials and Phases
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 2014-05-14 – 2014-05-17
  • Invited
• [Presentation] Superconductivity in Doped CaFeAs2 (112) and CaFe2As2 (122) (2014)
  • Author(s): M. Nohara
  • Organizer: 2014 MRS Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, CA, USA
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25
  • Invited