[論文レビュー] Element substitution effect in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs (Re=rare earth, T=transition metal)

G. F. Chen, Z. Li+7 more|ArXiv.org|Mar 31, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ランタノイド酸化ヒ素化物超伝導体 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs (Re = La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm; T = Fe, Ni, Ru) における元素置換効果を調査した。系統的なランタノイド置換とフッ素ドーピングにより、NdおよびCeを基にしたFeAs系において、Fによる電子ドーピングがTcを約50 Kまで向上させることを発見した。一方、重いランタノイド（Gd, Eu, Tm）は超伝導性を抑制するか、安定な相の形成を妨げる。結果は、高Tc超伝導性の安定化に、ランタノイドイオンのサイズと電子構造が果たす重要な役割を強調している。

ABSTRACT

Different element substitution effects in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs with Re=La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm, T=Fe, Ni, Ru, were studied. Similar to the La- or Ce-based systems, we found that the pure NdOFeAs shows a strong resistivity anomaly near 145 K, which was ascribed to the spin-density-wave instability. Electron doping by F increases T$_c$ to about 50 K. While in the case of Gd, the T$_c$ is reduced below 10 K. The tetragonal ZrCuSiAs-type structure could not be formed for Eu or Tm substitution in our preparing process. For Ni-based case, although both pure and F-doped LaONiAs are superconducting, no superconductivity was found when La was replaced by Ce in both cases, instead a ferromagnetic ordering transition was likely to form at low temperature in F-doped sample. We also synthesized LaO$_{1-x}$F$_x$RuAs and CeO$_{1-x}$F$_x$RuAs compounds. Metallic behavior was observed down to 4 K.

研究の動機と目的

• Re(O₁₋ₓFₓ)TAs酸化ヒ素化物におけるランタノイド（Re）および遷移金属（T）置換が超伝導特性に与える影響を調査すること。
• F置換による電子ドーピングが超伝導転移温度（Tc）および競合する電子秩序に与える影響を特定すること。
• さまざまなランタノイド元素におけるZrCuSiAs型正方晶相の構造的安定性を検討すること。
• Ceを基にしたNiAs系における磁気的相互作用（例：強磁性秩序）が超伝導性を抑制する役割を特定すること。
• 特に金属的挙動を示すが超伝導性を示さないCeO1-xFxRuAsを含むRu系化合物における電子基底状態を調査すること。

提案手法

• ReAs、ReF₃およびAs金属、またはTを含む酸化物・ヒ素化物を前駆体として用い、固体反応法によりRe(O₁₋ₓFₓ)TAs化合物を合成した。
• 相純度を確保するため、真空封入されたTa封入石英チューブを用い、1150 °Cで24〜50時間の高温アニールを実施した。
• Cu Kα放射を用いたX線回折（XRD）により結晶構造を評価し、ZrCuSiAs型正方晶構造の確認を行った。
• 標準4端子法を用いて電気抵抗率を測定し、超伝導転移および電子的異常を検出した。
• 交流磁化率測定（10 Oe、333 Hz）を実施し、バルク的超伝導性の確認およびTcの上昇点を検出した。
• 温度依存性磁化モーメントデータを分析し、超伝導転移と強磁性転移を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaをNd、Ce、Gd、Eu、Tmなどの他のランタノイド元素に置換することで、Fe基の酸化ヒ素化物における超伝導転移温度（Tc）にどのような影響を与えるか？
• RQ2 Fドーピングが、特にスピン密度波（SDW）不安定性に関連して、ReO1-xFxFeAsの電子相図をどのように変化させるか？
• RQ3 同じ合成条件下でも、EuおよびTmを含む酸化ヒ素化物においてZrCuSiAs型構造が形成されないのはなぜか？
• RQ4 Ni基の酸化ヒ素化物（CeONiAs）におけるCe置換は超伝導性を維持するか、それとも競合する磁気秩序を誘発するか？
• RQ5 CeO1-xFxRuAsに観察される低温転移の性質は何か？ また、なぜRu系系では超伝導性が観察されないのか？

主な発見

• 純粋なNdOFeAsは、フェルミ表面のネストに起因するスピン密度波（SDW）不安定性により、約145 Kで抵抗率の異常を示す。
• NdOFeAsにおけるFドーピングによりTcが約50 Kに上昇し、NdO1-xFxFeAsにおいてx ≈ 0.12で最適な超伝導性が観察された。
• GdOFeAsでは、Fドーピングにより抵抗率の異常が低温にシフトし、10 K未塔で急激な低下を示すが、ゼロ抵抗は観察されず、Tc < 10 Kであると示唆された。
• EuおよびTm置換では、同じ合成条件下でもZrCuSiAs型構造が形成されず、重いランタノイド酸化ヒ素化物における構造的不安定性を示唆した。
• CeO1-xFxNiAsは超伝導性を示さず、10 K未塔で抵抗率の急激な低下と磁化モーメントの増大が観察された。これは、超伝導性ではなく強磁性秩序を示している。
• LaO1-xFxRuAsおよびCeO1-xFxRuAsは4 Kまで金属的挙動を示し、超伝導転移は観察されず、Ru系系では非超伝導的基底状態であることが示された。