| 研究課題/領域番号 |
20J21627
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| 研究機関 | 東京都立大学 |
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研究代表者 |
星 和久 東京都立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | 超伝導 / ネマティック超伝導 |
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| 研究実績の概要 |
BiCh2(Ch = S, Se)系超伝導体で観測されたネマティック超伝導を示唆する振る舞いの発現条件および機構を解明するために、キャリア量が異なるLaO0.9F0.1BiSSeの単結晶試料を用いた磁気抵抗の面内異方性測定を行った。単結晶試料の育成には、BiCh2系超伝導体の単結晶育成に従来用いられるフラックス法を使用した。単結晶を粉砕し粉末にしたガラスと共に混ぜた試料を用いて放射光粉末X線回折測定をSPring-8(BL02B2)にて行い、結晶構造がab面内に4回回転対称性を有する正方晶であることを確認した。磁気抵抗の面内異方性測定は、東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センターの15 Tの超伝導マグネットを用いて行った。ab面内に正確に磁場を印加するために、2軸ローテーターを用いた。その結果、Fを50%置換したときと同様に超伝導状態において結晶構造の回転対称性を破る2回回転対称性が観測された。一方でノーマル状態では、角度スキャンに対して磁気抵抗がほとんど変化しない振る舞いが観測された。このような超伝導状態の回転対称性の破れは、結晶構造の対称性の低下から生じていると考えるのが妥当であるため、低温の結晶構造を調べた。LaO1-xFxBiSSeの多結晶粉末試料を用いて、室温から100 Kまでの放射光粉末X線回折測定を行った。その結果、x = 0.03において既に正方晶構造が安定していることを見出した。この結果は、Fをドープすることで正方晶の構造が安定化することを示した理論研究とも一致している。したがって、超伝導状態で観測された2回回転対称性は超伝導対称性と関連していると期待される。さらに、超伝導状態の回転対称性の破れがキャリア量を変化させたLaO1-xFxBiSSeで観測されたことにより、この現象はキャリア量に依存しない可能性が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
コロナウイルスの影響による緊急事態宣言により、2020年4月から5月は大学の研究室で実験を行うことはできなかったが、既に測定していた実験データの整理・解析を進めることで論文の執筆を行うことができた。特に、本研究において重要な要素になる低温構造解析に関する論文もこの時期に仕上げることができ、最終的に2020年12月に出版されたことは評価に値する。緊急事態宣言開けは、大学での実験を行うことができた。当初は東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料センターにて、磁気抵抗の面内異方性測定を進めていく予定であったが、2020年度は東北大学への出張ができなかったので、所属大学の装置を用いて実験を進めた。そのためこれまで行ったきた強磁場かつ2軸ローテーターを用いた実験を行うことはできなかったが、温度条件や測定のセットアップを工夫することで有意義な測定を行うことができた。特にLaO0.5F0.5BiS2-xSexを用いた実験では、元素置換を行うことで超伝導状態の4回回転対称性と2回回転対称性が変化することを見出したことは高く評価できる。また海外の理論研究者とも、本研究結果についてディスカッションを行うことができ、観測された超伝導状態の面内異方性が、BiCh2系超伝導体において異方的超伝導が実現している可能性を示唆すると提案されたため、今後よりいっそう研究が展開されると期待できる。さらに東京大学との共同研究で進めている磁場侵入長測定からも、LaO0.5F0.5iSSeにおいて超伝導ギャップにノードが生じる振る舞いが観測されており、超伝導状態の面内異方性結果と併せてBiCh2系超伝導体の超伝導発現機構解明へとつながることが期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度は、LaO0.5F0.5BiS2-ySey(y = 0-1.0)の単結晶試料を用いた磁気抵抗の面内異方性測定を行い、Seをドープしていないy = 0とSeドープ量が少ないy = 0.25では、明らかに4回回転対称性が混じった振る舞いが観測された。そして、さらにSe置換をしていくとクリアな2回回転対称性が観測された。この実験結果について、理論研究者とディスカッションを行った。理論研究によると、超伝導状態の4回回転対称性は2次元既約表現の2成分が縮退した状態であり、2回回転対称性は何らかの要因（例えば1軸性圧力）により縮退が解けている状態であることが考えられるとのことである。実際にこのような現象が起こっていることを明確にするためには、上部臨界磁場の面内異方性が重要な情報となるため、今後測定を順次行っていく予定である。さらに超伝導状態の2回回転対称性が初めて観測されたLaO0.5F0.5BiSSeの単結晶試料を用いて磁場侵入長測定を東京大学と共同研究により進めており、この実験から超伝導ギャップにノードが存在し得るような振る舞いが観測されている。この磁場侵入長測定と2回回転対称性がコンシステントな結果であるか、今後さらなる検証が必要である。BiCh2系超伝導体では2次元既約表現であるEuやEgといった超伝導対称性が実現すると提案している理論や実験は存在していないが、局所的な空間反転対称性の欠如によるパリティの混成を考えると説明することができるかもしれない。BiCh2系層状化合物では、BiCh2の二重層においてBiサイトは局所的に空間反転対称性が欠如している。これによりパリティ混成が生じているとすると、EuやEgのような振る舞いが検出される可能性もあるのではないかと考えており、今後はこの性質にも着目し研究を行っていく。
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