[論文レビュー] A spin ladder compound doubles its superconducting TC under a gentle uniaxial pressure

D. Mohan Radheep, R. Thiyagarjan+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、スピンラダー化合物 Sr₃Ca₁₁Cu₂₄O₄₁ のラダー面に沿ってわずか 0.06 GPa の穏やかな一軸圧力を加えることで、超伝導転移温度 (Tc) が 12 K から 24 K まで倍増することを示した。従来の水圧的圧力実験では約 5 GPa を要しても Tc が 12 K にとどまっていたのに対し、本研究の非等方的圧力チューニングにより、面内圧力は Tc を向上させ、面外圧力は抑制することが明らかになった。これにより、銅酸化物超伝導体における Tc の向上を図る新たな道筋が示された。

ABSTRACT

Discovery of new high TC superconductors, with TC > 23 K, continues to be challenging. We have doubled the existing TC of single crystal Sr3Ca11Cu24O41, a spin ladder cuprate, from 12K to 24K, using a gentle uniaxial pressure ~ 0.06 GPa. In contrast, earlier works used a nearly 100 times larger hydrostatic pressure 5 GPa, only to reach a maximum TC ~ 12K. Our work exposes large and nearly equal, but opposing contributions to changes in TC, arising from compressions along and perpendicular to ladder planes, in hydrostatic pressure experiments. In our resistivity measurements, uniaxial pressure applied along ladder planes increase TC, while that perpendicular to ladder planes decrease TC. Our findings i) offers a new hope for further increase in TC in spin ladder compounds and ii) calls for a large shift in phase boundaries of the currently accepted pressure-temperature phase diagram.

研究の動機と目的

• スピンラダー化合物 Sr₃Ca₁₁Cu₂₄O₄₁ における非等方的圧力が超伝導転移温度 (Tc) に与える影響を調査すること。
• 従来の水圧的圧力実験では、高圧 (~5 GPa) を要しても Tc が 12 K にとどまっていたという限界を克服すること。
• この複雑な銅酸化物において、一軸圧力が水圧的圧力よりも大きな Tc の向上を引き起こすかどうかを調査すること。
• 異なる結晶学的方向に沿った格子歪みが超伝導性をどのように調節しているかを解明すること。

提案手法

• 特別に設計されたアニューラセルを用いて、単結晶 Sr₃Ca₁₁Cu₂₄O₄₁ のラダー面に沿った一軸圧力を印加した。
• 温度依存の抵抗率測定を一軸圧力下で行い、超伝導転移温度 (Tc) を決定した。
• 圧力効果の方向依存性を隔離するために、先行する水圧的圧力実験の結果と比較した。
• 低圧力の一軸圧力（~0.06 GPa）を正確にキャリブレーションおよび制御することで、従来の水圧的研究で用いられた 5 GPa よりもはるかに低い圧力を実現した。
• Tc に及ぼされる圧力誘起の変化を分析し、面内および面外の格子圧縮に起因する寄与を解離した。
• 圧力の方向を系統的に変化させ、超伝導状態の非等方的応答を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンラダー化合物 Sr₃Ca₁₁Cu₂₄O₄₁ において、一軸圧力が水圧的圧力よりも大きな Tc の向上を引き起こすことができるか？
• RQ2 特にラダー面に沿う方向と垂直方向とで、圧力が Tc に与える影響はどのように異なるか？
• RQ3 高圧 (~5 GPa) を要しても Tc が 12 K にとどまる水圧的圧力実験が、なぜ 12 K を超えて Tc を向上させられなかったのか？
• RQ4 異なる結晶学的軸に沿った圧縮ひずみが、この物質の超伝導ペアリング機構にどのように異なる影響を及ぼすか？
• RQ5 この非等方的圧力応答は、この銅酸化物の圧力-温度相図に関する現在の理解にどのような意味を持つのか？

主な発見

• ラダー面に沿った一軸圧力を加えることで、超伝導転移温度 (Tc) が 12 K から 24 K まで上昇し、効果的に2倍になった。
• この向上は、水圧的圧力実験で要された 5 GPa よりも約 100 分の1の低圧力（~0.06 GPa）で達成された。
• 面内の圧力は Tc を向上させ、面外の圧力は抑制するという、顕著で逆方向の寄与が示され、異なる格子方向からの圧力応答の顕著な非等方性が明らかになった。
• 結果から、水圧的圧力実験では圧力応答の強い非等方性が隠蔽されており、Tc のチューニングにおいて極めて重要な要因であることが示された。
• これらの発見は、現在の圧力-温度相図を大幅に見直す必要があることを示唆しており、方向依存の圧力効果を反映させる必要がある。
• 本研究は、特定の非等方的ストレインを狙い撃ちで導入することで、スピンラダー化合物における Tc の向上を図る新たな道筋を開いた。