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 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25400372
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 工藤 一貴 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (40361175)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 鉄系超伝導体 / 新物質開発 / 高温超伝導

研究概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

（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。

研究成果

• [雑誌論文] Momentum-resolved resonant inelastic X-ray scattering on a single crystal under high pressure (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, K. Ishii, I. Jarrige, T. Watanuki, K. Kudo, Y. Koike, K. Kumagai, N. Hiraoka, H. Ishii, K.-D. Tsuei, and J. Mizuki
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 21 ページ: 131-135
  • DOI: 10.1107/S1600577513028944
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-orbital-lattice coupling effects in the dd excitation profile of one-dimensional cuprates (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 041104(R) (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.041104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Superconductivity up to 43 K by P/Sb Doping of Ca1-xLaxFeAs2 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, T. Mizukami, Y. Kitahama, D. Mitsuoka, K. Iba, K. Fujimura, N. Nishimoto, Y. Hiraoka, and M. Nohara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 025001 (1-2)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.025001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switching of Conducting Planes by Partial Dimer Formation in IrTe2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Toriyama, M. Kobori, T. Konishi, Y. Ohta, K. Sugimoto, J. Kim, A. Fujiwara, S. Pyon, K. Kudo, and M. Nohara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 033701 (1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Important Roles of Te 5p and Ir 5d Spin-Orbit Interaction on the Multi-Band Electronic Structure of Triangular Lattice Superconductor Ir1-xPtxTe2 (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 033704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Te 5p orbitals bring three-dimensional electronic structure to two-dimensional Ir0.95Pt0.05Te2 (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 104506 (1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.104506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characteristic two-dimensional Fermi surface topology of high-Tc iron-based superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 4381 (1-6)
  • DOI: 10.1038/srep04381
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band Jahn-Teller Effects and Peierls Instability in IrTe2 (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 428 ページ: 012018 (1-4)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/428/1/012018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity induced by breaking Te2 dimers of AuTe2 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, H. Ishii, M. Takasuga, K. Iba, S. Nakano, J. Kim, A. Fujiwara, and M. Nohara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 063704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.063704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collapsed tetragonal phase transition of Ca(Fe1-xRhx)2As2 studied with photoemission spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 073705 (1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.073705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Lattice Coupling in Establishing Electronic and Magnetic Properties in Quasi-One-Dimensional Cuprates (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 ページ: 265502 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.265502
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppression of structural phase transition in IrTe2 by isovalent Rh doping (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, M. Kobayashi, S. Pyon, and M. Nohara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 085001 (1-2)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.085001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of hybrid-type pressure cell for high-pressure and high-field ESR measurement (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Fujimoto, T. Sakurai, S. Okubo, H. Ohta, K. Matsubayashi, Y. Uwatoko, K. Kudo, Y. Koike
  • 雑誌名: Applied Magnetic Resonance 巻: 44 ページ: 893-898
  • DOI: 10.1007/s00723-013-0441-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure reconstruction by orbital symmetry breaking in IrTe2 (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 093704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.093704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Seebeck effect in electron-doped FeAs2 driven by a quasi-one-dimensional pudding-mold-type band (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Usui, K. Suzuki, K. Kuroki, S. Nakano, K. Kudo, and M. Nohara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 075140 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.075140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancing high-temperature thermoelectric properties of PtAs2 by Rh doping (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, S. Nakano, T. Mizukami, T. Takabatake, and M. Nohara
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 092107 (1-3)
  • DOI: 10.1063/1.4819953
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of superconductivity near the structural phase boundary in Pt-doped IrTe2 single crystals (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Pyon, K. Kudo, and M. Nohara
  • 雑誌名: Physica C 巻: 494 ページ: 80-84
  • DOI: 10.1016/j.physc.2013.04.055
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity in mineral calaverite AuTe2 (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kitagawa, H. Kotegawa, H. Tou, H. Ishii, K. Kudo, M. Nohara, and H. Harima
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 113704 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.113704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity in Ca10(Ir4As8)(Fe2As2)5 with Square-Planar Coordination of Iridium (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 3 ページ: 3101 (1-5)
  • DOI: 10.1038/srep03101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity in Ca1-xLaxFeAs2: A Novel 112-Type Iron Pnictide with Arsenic Zigzag Bonds (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 123702 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.123702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local structural displacements across the structural phase transition in IrTe2: Order-disorder of dimers and role of Ir-Te correlations (2013)
  • 著者名/発表者名: B. Joseph, M. Bendele, L. Simonelli, L. Maugeri, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 224109 (1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.224109
  • 査読あり
• [学会発表] 鉄系および関連物質における新超伝導体の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 工藤一貴
  • 学会等名: 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）
  • 発表場所: 東海大学（平塚）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 平面四配位Ir4As8層を持つ鉄系超伝導体Ca10(Ir4As8)(Fe2As2)5の発見 (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学（平塚）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 鉄系超伝導体の新物質開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 工藤一貴
  • 学会等名: CROSSroads of Users and J-PARC 第９回「超伝導、磁性とフラストレーション」
  • 発表場所: KEK（東海）
  • 年月日: 20131203-20131205
  • 招待講演
• [学会発表] Superconductivity at 45 K in La and P co-doped CaFe2As2 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, K. Iba, and M. Nohara
  • 学会等名: International Workshop on Novel Superconductors and Super Materials 2013 (NS22013)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20131121-20131122
• [学会発表] Emergence of superconductivity at 45 K by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, K. Iba, and M. Nohara
  • 学会等名: 26th International Symposium on Superconductivity (ISS2013)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20131118-20131120
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 工藤一貴
  • 学会等名: 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～」
  • 発表場所: 京都大学（京都）
  • 年月日: 20131008-20131009
  • 招待講演
• [学会発表] Superconductivity at 45 K induced by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo, K. Iba, M. Takasuga, Y. Kitahama, J. Matsumura, M. Danura, Y. Nogami, and M. Nohara
  • 学会等名: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2013)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20130805-20130809
• [学会発表] Emergence of superconductivity at 45 K induced by La and P co-doping of CaFe2As2 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kudo
  • 学会等名: ICC-IMR International Workshop “Superconductivity research advanced by new materials and spectroscopies”
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20130723-20130725
  • 招待講演
• [学会発表] 分子状ダイマーの形成・切断による超伝導体開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 工藤一貴
  • 学会等名: 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！」
  • 発表場所: 公益財団法人 国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）（東京）
  • 年月日: 20130705-20130705
  • 招待講演
• [備考] 「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
• [備考] 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
• [備考] 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
• [産業財産権] 鉄系超電導物質及びその製造方法 (2013)
  • 発明者名: 澤博，片山尚幸，細野秀雄，野原実，工藤一貴
  • 権利者名: 国立大学法人 岡山大学、名古屋大学、東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2013-199997
  • 出願年月日: 2013-09-26