BiS2伝導層を有する層状超化合物における超伝導機構解明と新奇機能の創出

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25707031
• 研究種目: 若手研究(A)
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 水口 佳一 首都大学東京, 理工学研究科, 助教 (50609865)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 新超伝導物質 / ＢｉＳ２系超伝導体 / 低温物性測定 / 結晶構造解析 / 元素置換効果 / 高圧合成

研究概要

本研究は，2012年に研究代表者らが発見した新しい層状超伝導体であるBiS2系超伝導体の超伝導機構解明と高温超伝導化を目指すものである．さらに，超伝導以外の新しい機能性を見出すことも目的の一つとしている．平成25年度の研究では，特に試料の純良化を達成し，良質試料を用いて超伝導特性と結晶構造の相関を見出した．具体的には，LaO1-xFxBiS2，PrO1-xFxBiS2超伝導体は，高圧合成を行うと超伝導転移温度（Tc）が大幅に上昇することがわかり，結晶軸のc軸方向の一軸的な格子収縮により高Tc相が発現することがわかった．一方，化学圧力印加（キャリア数の変化を生じない元素置換）を行うと，元素置換サイトに対応してa軸またはc軸の格子収縮が起こることがわかり，化学圧力印加試料の超伝導特性評価から，c軸方向の格子収縮が超伝導特性と強く相関することを見出した．
超伝導機構解明に向けて，角度分解光電子分光，NMR，圧力下輸送測定，パルス強磁場測定，局所構造解析（EXAFS）を共同研究として展開した．その結果，伝導キャリアの変化は局所的な結晶構造と強く相関し，さらに局所構造変化が超伝導特性や磁性を支配することがわかってきた．また，強磁場下での測定から非常に異方的な上部臨界磁場が見積もられ，これは本物質系の擬一次元性を反映している可能性があり，機構解明への重要な情報である．
BiS2系層状化合物の新機能創出に向け，熱電性能評価を行った．LaO1-xFxBiS2, CeO1-xFxBiS, NdO1-xFxBiS2の多様な試料に対し高温でのゼーベック係数と電気抵抗率測定を行った結果，LaOBiS2が最も高い出力因子を高温で示すことがわかった．また，LaOBiS2は200℃付近で相転移のような電気抵抗率の異常を示すことがわかり，超伝導機構解明に重要な情報が得られると期待できるため，現在高温での結晶構造解析を行っている．

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

多結晶試料の純良化，単結晶試料の育成が可能になり，BiS2系超伝導の本質を支配する具体的な要素を見出せてきている．また，国内外の共同研究により，機構解明に向けた多くの物性情報が得られており，今後，我々の研究チームにおける超伝導機構解明が強く期待されるため．

今後の研究の推進方策

引き続き，純良な超伝導試料の合成と詳細な物性測定を行う．平成25年度に多結晶試料を中心に研究した高圧印加効果と元素置換効果に関して単結晶試料を用いて研究する．これにより，超伝導特性と相関するより決定的な結晶構造パラメータが得られる．熱電変換性能向上のため，伝導層の元素置換を進めている．

次年度の研究費の使用計画

高圧合成装置の納入が年末になってしまい，合成に使用する消耗パーツ（空気中で徐々に劣化する）の購入を少なくし，次年度の購入としたため．また，平成25年度に得られた結果を報告する場として最適なICSM2014国際会議が4月に開催され，研究代表者および研究に従事する指導学生が口頭発表を行うため，外国出張経費とするため．
４月に開催されるICSM2014国際会議の参加旅費および実験消耗品費として使用する．

研究成果

• [雑誌論文] Correlation between crystal structure and superconductivity in LaO0.5F0.5BiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Joe Kajitani, Keita Deguchi, Atsushi Omachi, Takafumi Hiroi, Yoshihiko Takano, Hiroshi Takatsu, Hiroaki Kadowaki, Osuke Miura, Yoshikazu Mizuguchi
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 181 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2013.11.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-temperature thermoelectric properties of novel layered bismuth-sulfide LaO1-xFxBiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Omachi, Joe Kajitani, Takafumi Hiroi, Osuke Miura, Yoshikazu Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 115 ページ: 083909(1-3)
  • DOI: 10.1063/1.4867186
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft x-ray photoemission study of new BiS2-layered superconductor LaO1-xFxBiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinsuke Nagira, Junki Sonoyama, Takanori Wakita, Masanori Sunagawa, Yudai Izumi, Takayuki Muro, Hiroshi Kumigashira, Masaharu Oshima, Keita Deguchi, Hiroyuki Okazaki, Yoshihiko Takano, Osuke Miura, Yoshikazu Mizuguchi, Katsuhiro Suzuki, Hidetomo Usui, Kazuhiko Kuroki, Kozo Okada, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 ページ: 033703(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity in layered chalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineering 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of Tc by uniaxial lattice contraction in BiS2-based superconductor PrO0.5F0.5BiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Kajitani, K. Deguchi, T. Hiroi, A. Omachi, S. Demura, Y. Takano, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilization of high-Tc phase of BiS2-based superconductor LaO0.5F0.5BiS2 using high-pressure synthesis (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi, T. Hiroi, J. Kajitani, H. Takatsu, H. Kadowaki, O. Miura
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] Importance of uniaxial compression for the appearance of superconductivity in NdO1-xFxBiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Omachi, T. Hiroi, J. Kajitani, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys.: Conference Series 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical pressure effect on Tc in BiS2-based Ce1-xNdxO0.5F0.5BiS2 (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Kajitani, A. Omachi, T. Hiroi, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: Physica C 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity in BiS2-Based Layered Compounds (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: Phys. Procedia 巻: in printing ページ: in printing
  • 査読あり
• [雑誌論文] 新しい層状超伝導体の発見 (2014)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 雑誌名: パリティ 巻: 29 ページ: 28-30
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of isosceles triangular electronic structure around excess iron atoms in Fe1+δTe (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Machida, K. Kogure, T. Kato, H. Nakamura, H. Takeya, T. Mochiku, S. Ooi, Y. Mizuguchi, Y. Takano, K. Hirata, H. Sakata
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 87 ページ: 214508（1-6）
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.214508
  • 査読あり
• [雑誌論文] s-wave pairing in the optimally-doped LaO0.5F0.5BiS2 superconductor (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Lamura, T. Shiroka, P. Bonfa, S. Sanna, R. De Renzi, C. Baines, H. Luetkens, J. Kajitani, Y. Mizuguchi, O. Miura, K. Deguchi, S. Demura, Y. Takano, M. Putti
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 180509(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.180509
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure, Lattice Vibrations, and Superconductivity of LaO1－xFxBiS2 (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Lee, M. B. Stone, A. Huq, T. Yildrim, G. Ehlers, Y. Mizuguchi, O. Miura, Y. Takano, K. Deguchi, S. Demura, S.-H. Lee
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 87 ページ: 205134(1-8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.205134
  • 査読あり
• [雑誌論文] 新しいBiS2系層状超伝導体の発見 (2013)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 雑誌名: パリティ 巻: 28 ページ: 46-50
  • 査読あり
• [雑誌論文] 半導体的な電気伝導の近傍で発現する新しいBiS2系2次元超伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 5 ページ: 237-245
  • 査読あり
• [学会発表] BiS2系層状超伝導体の結晶構造と超伝導特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 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（神奈川県）
  • 年月日: 20140327-20140330
  • 招待講演
• [学会発表] BiS2系層状化合物La1-xCexOBiS2の結晶構造と物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 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（神奈川県）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] BiS2系超伝導体の高圧合成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: ＳＩＳ2014（低温工学超伝導学会交流事業）
  • 発表場所: シャレー志賀（長野県）
  • 年月日: 20140302-20140304
• [学会発表] Superconductivity in the Novel BiS2-Based Layered Compounds (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 学会等名: NS2-2013
  • 発表場所: グランドホール（東京都）
  • 年月日: 20131121-20131122
• [学会発表] Discovery of BiS2-based new superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 学会等名: ISS2013
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京）
  • 年月日: 20131118-20131120
  • 招待講演
• [学会発表] 新しいBiS2系層状超伝導体 (2013)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: 基研研究会
  • 発表場所: 京都大学（京都府）
  • 年月日: 20131008-20131009
  • 招待講演
• [学会発表] Structural variations and physical properties of BiS2-based layered superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 学会等名: LEMSUPER
  • 発表場所: トリエステ、イタリア
  • 年月日: 20130924-20130926
  • 招待講演
• [学会発表] Physical properties of BiS2-based layered superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 学会等名: EUCAS 2013
  • 発表場所: ジェノバ、イタリア
  • 年月日: 20130915-20130919
• [学会発表] BiS2系新超伝導体～ Tc上昇の鍵は？ ～ (2013)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: 応用物理学会超伝導分科会
  • 発表場所: ＩＳＴＥＣ（東京都）
  • 年月日: 20130705-20130705
  • 招待講演