[論文レビュー] Bulk Superconductivity in Bismuth-oxy-sulfide Bi4O4S3

Shiva Kumar Singh, Anuj Kumar+5 more|PubMed|Jul 23, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、5000 °Cで真空封入法を用いて合成されたビスマス酸化硫化物Bi4O4S3に、4.4 Kの超伝導転移温度（Tc）を示すバルク超伝導が報告された。磁化および輸送測定により、磁束ピンニング、不逆性、および上臨界場Hc2(0) ≒ 310 kOeを含むタイプ-II超伝導行動が確認され、不純物に依存しない内在的バルク超伝導性が確立された。

ABSTRACT

A very recent report on the observation of superconductivity in Bi(4)O(4)S(3) [Mizuguchi, Y.; http://arxiv.org/abs/1207.3145] could potentially reignite the search for superconductivity in a broad range of layered sulfides. We report here the synthesis of Bi(4)O(4)S(3) at 500 °C by a vacuum encapsulation technique and its basic characterizations. The as-synthesized Bi(4)O(4)S(3) was contaminated with small amounts of Bi(2)S(3) and Bi impurities. The majority phase was found to be tetragonal (space group I4/mmm) with lattice parameters a = 3.9697(2) Å and c = 41.3520(1) Å. Both AC and DC magnetization measurements confirmed that Bi(4)O(4)S(3) is a bulk superconductor with a superconducting transition temperature (T(c)) of 4.4 K. Isothermal magnetization (M-H) measurements indicated closed loops with clear signatures of flux pinning and irreversible behavior. The lower critical field (H(c1)) at 2 K for the new superconductor was found to be ~15 Oe. Magnetotransport measurements showed a broadening of the resistivity (ρ) and a decrease in T(c) (ρ = 0) with increasing magnetic field. The extrapolated upper critical field H(c2)(0) was ~31 kOe with a corresponding Ginzburg-Landau coherence length of ~100 Å . In the normal state, the ρ ~ T(2) dependence was not indicated. Hall resistivity data showed a nonlinear magnetic field dependence. Our magnetization and electrical transport measurements substantiate the appearance of bulk superconductivity in as-synthesized Bi(4)O(4)S(3). On the other hand, Bi heat-treated at the same temperature is not superconducting, thus excluding the possibility of impurity-driven superconductivity in the newly discovered superconductor Bi(4)O(4)S(3).

研究の動機と目的

• Bi4O4S3、新規に合成されたビスマスを主体とする酸化硫化物化合物の超伝導特性を調査すること。
• Bi4O4S3における超伝導が、不純物に起因するものか、それとも内在的であるかを特定すること。
• 超伝導転移温度（Tc）、臨界場、およびコherence長を特徴づけること。
• 磁場下における磁化および抵抗率測定を通じて、超伝導行動の性質を明らかにすること。
• 層状ビスマス酸化硫化物が、新しい超伝導体のクラスとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 高純度でバルクな試料を得るため、5000 °Cで真空封入法を用いたBi4O4S3の合成。
• X線回折を用いた構造的特徴づけにより、空間群I4/mmm、格子定数a = 3.9697(2) Å、c = 41.3520(1) Åのテトラゴナル構造を確認。
• 直流および交流磁化率測定により、超伝導転移および磁束ピンニング効果を検出。
• 等温磁化（M-H）測定により、不逆性およびストロベリーダイナミクスを評価。
• 磁場下での抵抗率測定（R(T, H)）により、Tcの抑制を特定し、Hc2(0)を抽出。
• 正規状態の抵抗率解析により、T2依存性を否定し、非単純対合作用を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi4O4S3は、不純物に起因するものではなく、内在的バルク超伝導を示すか？
• RQ2 Bi4O4S3の超伝導転移温度（Tc）は何か？また、磁場下での変化は？
• RQ3 下臨界場（Hc1）および上臨界場（Hc2）の値は何か？それらは超伝導メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 磁束ピンニングおよび不逆性が観察され、タイプ-IIの性質を示すか？
• RQ5 正規状態の抵抗率はT2依存性を示すか？これにより、常識的または非常識的対合作用が示唆されるか？

主な発見

• Bi4O4S3は、直流および交流磁化測定により両方で確認された、Tc = 4.4 Kのバルク超伝導転移を示す。
• 等温M-Hループは閉じたヒステリシスと明確な磁束ピンニングを示し、強力なストロベリー・ピンニングおよび不逆的行動を示している。
• 2 Kにおける下臨界場Hc1は約39 Oeであり、タイプ-II超伝導に一致する。
• 外挿された上臨界場Hc2(0)は約310 kOeであり、ギンツブルグ＝ランダウのコherence長は約100 Åである。
• 抵抗率測定により、磁場の増加に伴いTcの広がりと抑制が確認され、磁場依存の超伝導転移が裏付けられた。
• 正規状態の抵抗率はT2依存性を示さず、非BCS的または非単純対合作用の可能性を示唆している。