| 研究課題/領域番号 |
19H02676
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
久保園 芳博 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (80221935)
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| 研究分担者 |
JESCHKE HARALD 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任教授 (10800211)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 圧力 / キャリア注入 / 2次元層状物質 / トポロジカル物質 / 超伝導 / 圧力誘起超伝導 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題申請者らは、鉄カルコゲナイドやトポロジカル絶縁体などの2次元層状物質に対してキャリアをドーピングすると、常圧あるいは高圧で超伝導が出現することを見いだしている。このような背景のもとに、申請者は、キャリアがドープされた多様な2次元層状物質における新規な超伝導相を、常圧から200 GPaの圧力領域において実現することを目指して研究課題を立案した。とくに、本研究では、金属原子ドーピングを通じてキャリア注入された鉄カルコゲナイド化合物と、トポロジカル絶縁体、Dirac半金属、Weyl半金属などの新規な電子状態を示す物質系を合成し、高圧での結晶構造・磁気特性・電気特性・ホール効果を調べ、高圧下での超伝導相を探索するとともに、超伝導と構造・電子状態との相関を明らかにすることにした。この研究を通じて、圧力下で新規な超伝導相を生み出す構造的・電子的な要因を調べ、超伝導発現機構の解明と新規な高温超伝導体開発の指針を得ることを目指す。
2019年度において、NH3を使ってアルカリ金属やアルカリ土類金属などの多様な金属原子をFeSe1-zTezにドーピングして、新規な超伝導体（MxFeSe1-zTez）を作製した。さらに、Bi2Se3への多様な金属原子のドーピングを行った。また、トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySeyにおいてｘとｙを精密に変化させて、 フェルミ面やDirac点を変化させ、それらの物質への圧力印加によって新規な超伝導相を実現した。また、Irなどの5d金属原子を含む新規な超伝導体を作製して、圧力下での超伝導転移温度の変化や、結晶構造の変化を調べた。また、Ba1-xAxTi2Sb2Oのような超伝導体を作製して、圧力下での超伝導特性を詳細に調べた。このように、トポロジカル絶縁体や2次元層状物質について、圧力誘起超伝導や、圧力による超伝導特性制御を積極的に展開した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究期間を3年として、新規な超伝導体作製と高圧での超伝導特性を明らかにすることを目指して研究を進めている。2019年度は、当初予定になかったいくつかの新規な超伝導体を作製することに成功した。具体的には、鉄セレン系（FeSe1-zTez)やトポロジカル絶縁体以外に、5d金属原子であるIrが含まれる新規な超伝導体の作製や、Ba1-xCsxTi2Sb2Oなどの新しい超伝導体を開拓して、その超伝導特性を圧力下で明らかにすることができた。前者は、スピン軌道相互作用が超伝導性に関与することが期待されている。また、トポロジカル絶縁体であるBi2-xSbxTe3-ySeyへの圧力印加で超伝導相が出現することを明らかにした。最近のトピックスとしては、ディラック半金属であると期待されているBi-金属化合物であるKBi2を液体アンモニア法で合成することに成功し、これの超伝導特性を詳細に調べることができた。この物質については、今後、圧力下での超伝導特性を調べる予定である。これ以外の新規超伝導体についても、圧力下での超伝導特性の解明に向けて準備中である。このように、新超伝導物質開発と圧力下での超伝導相の開拓という点で、当初の計画以上に研究が進展している。
トポロジカル絶縁体であるBi2-xSbxTe3-ySeyについては、出現する超伝導相と結晶構造との関係を議論する中で、それぞれの超伝導相についてトポロジカル超伝導である可能性を、上部臨界磁場の温度依存性から実験的に明らかにし、理論的なアプローチとして、高圧結晶相のZ2指数を求めた。このように理論研究についても当初予定どおりに成果を上げている。
以上まとめると、本研究課題を立案するにあたって、想定した研究課題を順調に遂行するとともに、当初予定していなかった新規な超伝導体を開拓するなどの研究成果が着実に現れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで、新規な超伝導作製と圧力下での超伝導特性解明に力を注いできたが、それに加えて、超伝導特性の詳細な解明を、常圧と高圧で進めることにも力を尽くしたいと考えている。とくに、これまで行ってきた高圧での電気抵抗、高圧の結晶構造、高圧での磁気特性の測定に加えて、広い圧力範囲での比熱やホール効果の測定実験を行いたいと考えている。また、マインツ大との国際共同研究によって、圧力範囲を現状の30-40 GPaから、一挙に200 GPaまで上昇させることも今後の目標である。
また、現在、多様な超伝導体を開発して、圧力下での超伝導特性を研究しているので、今後も多様な超伝導体開拓を進めていきたいと考えている。とくに、これまでの成果を引き継ぐ形で、Bi-金属化合物、Irなどの5d金属原子を含む新規な超伝導体の開拓、Ba1-xAxTi2Sb2-yBiyOのような新規超伝導物質の高圧超伝導相の探索などにも尽力する予定である。
最近、申請者は、金属原子をドーピングしたBi2Se3などのトポロジカル絶縁体のドープ金属周りの局所構造に注目した研究を行っている。とくに蛍光X線ホログラフィーを使った構造研究を行っているが、これを高圧でも実施して、圧力誘起超伝導や超伝導特性の変化を引き起こす起源となる構造転移や、キャリアドープ状態の変化などを明らかにしたいと考えている。2020年度は、トポロジカル絶縁体の高圧での超伝導転移温度が、結晶構造の変化に伴って急激に変化する理由を、蛍光Ｘ線ホログラフィーで実験的に解明したい。Ba1-xAxTi2Sb2-yBiOでは、高圧においてはっきりとした構造相転移が観測されていないにも関わらず、超伝導転移温度が大きく変化しており、局所構造変化や何らかの電子状態変化の存在が示唆されている。これらを明らかにするためにも、高圧での蛍光Ｘ線ホログラフィーやホール効果測定が必要である。
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