2018 Fiscal Year Annual Research Report
Novel electronic phase in high magnetic field for highly correlated layered organic superconductors
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17H01144
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
宇治 進也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 副拠点長 (80344430)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺嶋 太一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (40343834)
圷 広樹 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (80316033)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 層状有機超伝導体 / 強磁場電子状態 / FFLO超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
beta”-(ET)4[(H3O)M(C2O4)3]G M=Ga, G=PhNO2 (C6H5NO2)の純良結晶の開発も行いつつ、２次元電子系で起こると期待されるKosterlitz-Thouless超伝導のｐ候補物質の有力な候補物質であるbeta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3]. 18-crown-6 (M = Rh, Cr, Ir, Ru)の結晶評価を行った。この系は連携研究者である英国Nottingham Trent UniversityのLee Martin上級講師グループで開発された。英国から送られて来たバッチの中から結晶を選び、X線構造解析により構造を評価した。
beta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3].18-crown-6（M=Cr）の抵抗測定を行い、超伝導の証拠であるゼロ抵抗を確認できた。磁場中で単結晶試料を精密に回転し、磁場が伝導面と垂直、水平な方向での臨界磁場を決定した。伝導面に平行な２つの結晶軸方向で臨界磁場を観測したが、有意な差は見られなかった。これは、２次元フェルミ面の断面積の異方性が小さいことを意味している。
有機超伝導体の中で2次元性が高い試料beta”-(ET)2SF5CH2CF2SO3は伝導面に平行な磁場中では1Ｋ以下の低温で約９ＴでFFLO相転移を起こすことが分かっている。磁気熱量効果をより精密に測定するために、最適な温度計素子を選び、この系のFFLO相図を決定することに成功した。さらにFFLO相転移やパンケーキボルテックスとジョセフソンボルテックスの融解転移を初めて同時に観測し、ボルテックスの相転移とFFLO相転移が独立に生じる事を初めて明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
連携研究者であるLee Martin上級講師グループで合成された多くのbeta”型単結晶を顕微鏡で観察する限り、１つのバッチの中に様々な種類の結晶が混ざっていることが分かった。形、光沢などから、見た目でその多型を判断できる場合もあるが、必ずしも正確ではない。特に超伝導を示さないbeta”-(BEDT-TTF)4[(Cat)MIII(C2O4)3]2 [(Cat)2([18]crown-6 ether)]-5H2O (Cat = H3O+ or NH4+)が多数含まれているようである。この結晶はbeta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3].18-crown-6超伝導体と外形もそっくりでX線構造解析で格子定数を決定しない限り区別がつかないという事態にある。こういう状況のため、質の良い結晶は少ないため、物性実験に支障を来している。
現在手に入るbeta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3].18-crown-6（M=Cr）において、抵抗測定、磁気トルク測定を行い、抵抗測定では超伝導転移（ゼロ抵抗）を確認できたが、磁気トルクでは極めて弱い反磁性しか観測できなかった。これは単結晶試料が不均一であることを意味しており、より高品質の試料で測定を進める必要がある。
2次元性が高い有機超伝導体beta”-(ET)2SF5CH2CF2SO3の磁気熱量実験において、セルに入れる最適な温度計素子を選び、この系の磁気熱量効果を精密に測定することに成功している。特にFFLO相転移とボルテックスの融解転移を初めて同時に観測したことは意義が高いと判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
連携研究者であるLee Martin上級講師グループが合成したbeta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3].18-crown-6超伝導体の中からの純良単結晶の探索も行いつつ、分担者研究室でも結晶作成をスタートする。比較的安価なCr塩から始める。英国では、原料である(NH4)3[Cr(C2O4)3]を反応性の高い強力な酸化剤であるK2CrO4から作成している。我々はこのK2CrO4のわずかな汚染が結晶性を低下させているのではと考えており、過激でない出発物質を用いた新しい原料合成の方法を開発する。また、使用する溶媒のうち、沸点が高い1,2,4-trichlorobenzeneについては、高純度のものを購入する予定である。
また、一連のbeta”-(ET)2[(H2O)(NH4)2M(C2O4)3].18-crown-6超伝導体の中で、もっとも質の高い試料が合成できると期待されるM=Crにおいて、抵抗測定、磁気トルク測定を行ってきた。抵抗測定では超伝導ゼロ抵抗を確認できたが、磁気トルクでは極めて弱い反磁性しか観測できなかった。これは単結晶試料が不均一であることを意味しており、より高品質の試料で測定を進める必要がある。この系では、超伝導状態が強い２次元性を持つことから、この系は超伝導揺らぎが極めて大きいと期待される。この揺らぎの大きさを評価するため、様々な磁場、温度で試料を回転し、反磁性を精密に測定する必要がある。
beta”-(ET)2SF5CH2CF2SO3において、一つの面内磁場方位でFFLO相図を決定し、さらにボルテックス転移を発見した。今後は様々な伝導面内方位で、抵抗測定や磁気熱量測定を行い、FFLO相の安定性とフェルミ面の異方性との関係を調べることが必要となっている。
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