2018 Fiscal Year Research-status Report
Study for Mott transition and pressure induced superconductivity in the iron-based ladder compounds using ac-specific measurements
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17K05531
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山内 徹 東京大学, 物性研究所, 技術専門職員 (10422445)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 高圧下交流比熱測定 / 圧力誘起超伝導 / 絶縁体超伝導転移 / Mott絶縁体 / 電荷秩序絶縁体 / 梯子格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は以下の試料で高圧下交流比熱測定を試みた，標準試料金属Pb，標題物質と高圧下物性が類似したbeta-Na0.33V2O5(b-Na)，そして標題物質BaFe2S3(Ba123)である．b-NaとBa123は共に梯子構造を基にした擬一次元伝導体で，圧力誘起超伝導相の低圧側に絶縁体相が共通して隣接し，その絶縁体相が前者では電荷秩序相，後者ではMott絶縁体相であるところが異なる点である．Pbで超伝導転移の比熱の飛び(ΔC)の圧力依存性を取得，先行研究のΔCの圧力依存性と比較して，本研究の検出センサである金鉄クロメル熱電対の熱電能の圧力依存性を算出した．この熱電能の圧力依存性はb-NaとBa123における圧力下比熱信号強度の補正に使われる．b-Naでは常圧130 Kでの電荷秩序転移の比熱異常が，圧力誘起超伝導相のそれとも併せて高圧下で観測でき，電荷秩序転移に伴うエントロピー変化が常圧から4 GPa程度にかけて減少する傾向を観測した．これは電荷秩序の長周期構造を示すX線散乱ピークが4 GPaにかけて強度を落とし背景雑音に埋没する状況と一致している．さらに6 GPaまで加圧すると電荷秩序エントロピー変化は大きくなる．これは常圧で電荷秩序よりも低温で起きる反強磁性秩序が6 GPa付近では同時に起きている可能性を示唆している．またC/T vs T^2でplotすると超伝導転移が現れる圧力で比熱曲線が僅かに上ずれする．これは絶縁体金属転移に伴う有限のγ-項の出現を観測したと考えられる．このγ-項と超伝導転移のΔCを比較すると，この超伝導がBCS的なものであると考えて矛盾がないことがわかった．以上の実験結果は日本物理学会において口頭講演で報告している．同様な観測をBa123で試み，超伝導転移と考えられる僅かな比熱異常を10 GPa付近で観測できたが，b-Naのように超伝導転移以外の相転移との関係を明確にすることはできていない．以上とはやや独立した成果として，BaFe2S3の圧力下物性の日本語の解説記事を出版した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
BaFe2S3結晶の加工性や化学的安定性が異なるので，beta-Na0.33V2O5とは異なる試料セットアップを採用した．この結晶は大変脆く，所望の形状に加工することが困難な上に，湿気などに対して化学的に不安定である．交流比熱測定の為には，試料結晶とヒータおよび温度検出センサ(金鉄クロメル熱電対)を熱的に接着する．BaFe2S3では，beta-Na0.33V2O5で採用した熱硬化型のepxy technology社製熱接触用接着剤EPO-TEK T7110や，ヒータとして，同社製熱硬化型の伝導性接着剤H20Sを使えなかった．そこで新ヒータは市販のストレインゲージ(共和電業KFLゲージ)を分解し，極細の銅線(30ミクロン)にハンダつけすることで作成した．さらに市販のシアノアクリレート系接着剤(アロンアルファ)を使ってヒータ，試料結晶及び，熱電対の熱的接触をとる方法を開発した．試料結晶表面に熱硬化型の伝導性ペーストを直接塗布する方法でヒータを作成し，熱硬化型の接着剤を用いて熱接触をとる方法に比べて，上記の方法ではやや周波数特性が劣るようになるが，金属Pbを標準試料として測定してみると，10 GPa程度の圧力下でも，その超伝導転移を交流比熱測定で補足できている．この2種類の試料結晶周りの交流比熱測定用セットアップは，比較的強い機械的な強度を付与できている為に，キュービックアンビル型圧力発生装置に直ちに適用でき，beta-Na0.33V2O5とBaFe2S3の測定を行った．その結果は，業績の概要欄に書いた通りである．特に，表題物質BaFe2S3に関しては，比熱信号強度という意味で測定精度が十分でなく，本課題の目標を達成しているとは言い難い．この問題は，試料結晶をさらに薄く広い板状の形状に加工できれば，克服できると考えられる．現在は，その形状を制御するための比熱測定セットアップの作成プロセスを開発中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
試料結晶形状の制御が，本研究では死活的に重要であることがわかってきた．特に本研究課題の表題物質であるBaFe2S3は，針状結晶が結晶学的方位を揃えて束になっているような，擬似的な単結晶とでもいうべき特徴的な構造を有している．その構造がこの物質の，ピンセットで掴むことも困難な，極めて脆い性質を与えていると考えられる．この脆さのため，本研究で採用している交流比熱測定法で要求される，厚さ40μm以下，幅長さが500μm程度の試料結晶形状を得ることが困難である．そこで，BaFe2S3用に開発している試料結晶のセットアッププロセスでは，試料とヒータ及び熱電対を熱的に接着するシアノアクリレート系接着剤を予め結晶中に十分含ませて(試料結晶を接着剤液滴の中に浸す)おいて，凝固した接着剤ごと結晶をデザインナイフなどの精密で細かい工作が可能な刃物で所望の形状(とはいえ限界がある)に切り分けた後，ヒータや熱電対に接着させる方法を取っている．以上が進捗状況の欄で述べた，新たに開発しているプロセス技術である．この方法だと，試料に熱を加えたり銀のフィラーと接触することがないので，試料の化学的変質を考えなくてよい．その代わりに，周波数特性，つまり比熱の測定感度においてやや不利であることは既に述べた．今後の予定としては，このセットアップ法で，出来る限り試料の厚みを薄くして測定感度の改善を試みる予定である．そうすれば，現在のところ交流比熱法で見えていない反強磁性磁気秩序やMott転移などの転移と，超伝導転移との関係を，比熱異常を通して観測する当初の目標を達成できると考えている．さらに独立した別個の問題として，圧力発生効率の30％程度の低下が挙げられる．これはMgOガスケットの劣化がその原因の可能性があり，ガスケットに再熱処理加えることで改善を試みてゆく予定である．
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| Causes of Carryover |
国際的なヘリウムガスの需給変化に伴い，代用研究者の所属する東京大学物性研究所でも，液体ヘリウムの供給価格が1リットル当たり170円から380円に高騰した．本研究で使用している高圧装置の場合，ある圧力点で室温から4.2 Kのヘリウム温度まで冷却するのに液体ヘリウム約30 L必要である．特に比熱測定で重要な30から2 Kにかけて，0.2 K/min程度の温度掃引が必要で，これを実現する為にさらに多くの液体ヘリウムを投入する．さらに，信号雑音比や試料のヒーティングをチェックしながら，測定周波数，ヒータ駆動出力の二つのパラメータを変えて温度掃引を行う．こうして最適な測定条件を選ぶのだが，その分液体ヘリウムの投入量も多くなる．実際に，1圧力点あたり100 L程度の液体ヘリウムを平均的に消費している．15 GPa程度までの圧力を1.5 GPa刻みで測定することは，平均的な方法である．要するに，交流比熱測定用にセットアップされた一つの試料結晶の測定に，凡そ1000 Lの液体ヘリウムを消費する計算になる．つまり1個の試料について寒剤費が約17万円から38万円に高騰したのである．従って圧力下の交流比熱測定は慎重にならざるを得ない．測定セットアップ毎に入念にチェックを行ってから実際に圧力をかける段階に進むので，自ずと時間がかかるようになってしまったことが，次年度使用が増えた理由である．
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