[論文レビュー] Electronic structure of MgB$_2$: X-ray emission and absorption studies

E.Z. Kurmaev, I. I. Lyakhovskaya+9 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Mar 23, 2001

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、X線発光および吸収スペクトルを用いてMgB₂の電子構造を調査し、MgからBへの電荷移動がσバンドにおけるホールドーピングを引き起こし、これが高Tc超伝導を駆動することを示した。実験的スペクトルは、双極子行列要素を含む第一原理計算とよく一致しており、Mgの正の酸化状態が確認され、σバンドのホールドーピングが超伝導性に寄与することを裏付けた。

ABSTRACT

Measurements of x-ray emission and absorption spectra of the constituents of MgB$_2$ are presented. The results obtained are in good agreement with calculated x-ray spectra, with dipole matrix elements taken into account. The comparison of x-ray emission spectra of graphite, AlB$_2$, and MgB$_2$ in the binding energy scale supports the idea of charge transfer from $σ$ to $π$ bands, which creates holes at the top of the bonding $σ$ bands and drives the high-T$_c$

研究の動機と目的

• MgB₂の電子構造を、要素選択的X線発光および吸収スペクトルを用いて調査すること。
• MgB₂におけるMgおよびBの酸化状態を特定し、原子間の電荷移動の有無を評価すること。
• グラファイトおよびAlB₂といった関連化合物と比較することで、電子構造が超伝導性に与える役割を理解すること。
• 双極子行列要素を含む理論的バンド構造計算と実験的X線スペクトルを比較し、その妥当性を検証すること。
• MgB₂におけるσバンドのホールドーピングが高Tc超伝導を駆動するメカニズムであるという仮説を実験的に裏付けること。

提案手法

• シンクロトロン放射線を用い、ALSのビームライン8.0.1およびフォトンファクトリーのBL-12Aで、焼結多結晶MgB₂試料のB K-edgeおよびMg L-edge X線発光および吸収スペクトルを測定した。
• 0.3 eVのエネルギー分解能を達成する高分解能XES測定のため、ローランド円型分光計と球面回折格子、2次元マルチチャネル検出器を用いた。
• 0.5 eVのエネルギー分解能と0.1 mmのモノクロメータースリットを用い、全電子収率（TEY）検出法によるMg 2p吸収スペクトロスコピーを実施した。
• 表面汚染を最小限に抑えるために、機械的削り取りおよびテープ剥離処理を実施し、真空度を1×10⁻⁶ torr未満に維持した。
• XPSコアレベル測定（B 1s = 185.5 eV、C 1s = 284.5 eV）を用いて結合エネルギースケールをキャリブレーションし、異なる材料間のスペクトルを一致させた。
• 実験的スペクトルを、双極子行列要素および角運動量選択則を含む第一原理計算と比較し、スペクトル強度を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgB₂におけるMgおよびBの酸化状態は何か？ また、それらの間で電荷移動の証拠はあるか？
• RQ2 σバンドおよびπバンドの占有状態の観点から、MgB₂の電子構造はグラファイトおよびAlB₂とどのように異なるか？
• RQ3 実験的X線発光および吸収スペクトルが、双極子行列要素を含む第一原理計算とどの程度一致するか？
• RQ4 Mg 2pコアレベルにおける観察された化学シフトは、理論的予測であるMgのイオン化およびBへの電荷移動を支持するか？
• RQ5 実験データは、MgB₂におけるσバンドのホールドーピングが高Tc超伝導を駆動するという仮説を支持できるか？

主な発見

• MgB₂におけるMg L2,3 X線発光スペクトルは、金属的Mgと比較して約0.5 eVの負の化学シフトを示しており、MgからBへの電荷移動が生じていることを示している。
• MgB₂のB Kα X線発光スペクトルでは、グラファイトと比較してσバンド最大値がフェルミ準位に近づいていることが判明し、σバンドにおけるホールドーピングの増強が示唆された。
• AlB₂はMgB₂よりも高い電子濃度を有するが、σバンドがより満たされていることが確認され、超伝導性を示さないのと整合的であった。
• B K-edgeおよびMg L-edgeの実験的XESおよびXASスペクトルは、双極子行列要素および角運動量選択則を含む第一原理計算と良好に一致した。
• 双極子行列要素の影響により、Mg 3s状態の計算された局所状態密度（DOS）が顕著に変化し、フェルミ準位付近の状態に強度が再分配された。
• Mg 2pコアレベルにおける観察された負の化学シフトは、XPS測定結果と一致しており、MgB₂中でMgが正の酸化状態にあることを確認し、理論的予測であるイオン化および電荷移動を裏付けた。