[論文レビュー] Evidence for two distinct superconducting phases in EuBiS$_2$F under pressure

Chunyu Guo, Yu Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、圧力下におけるEuBiS₂Fに二つの異なる超伝導相が同定された：テトラゴナル構造（P4/nmm）における低Tc相とモノクロイナル構造（P2₁/m）における高Tc相で、Tcは1.4 GPaで0.3 Kから8.6 Kに増加した。この転移は構造相転移を伴い、280 Kの抵抗異常の抑制を伴う。これは、BiS₂ベース材料における高Tc超伝導の増強にモノクロイナル相が有利である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present a pressure study of the electrical resistivity, AC magnetic susceptibility and powder x-ray diffraction (XRD) of the newly discovered BiS$_2$-based superconductor EuBiS$_2$F. At ambient pressure, EuBiS$_2$F shows an anomaly in the resistivity at around $T_0\approx 280$ K and a superconducting transition at $T_c\approx 0.3$ K. Upon applying hydrostatic pressure, there is little change in $T_0$ but the amplitude of the resistive anomaly is suppressed, whereas there is a dramatic enhancement of $T_c$ from 0.3 K to about 8.6 K at a critical pressure of $p_c$ $\approx{1.4}$ GPa. XRD measurements confirm that this enhancement of $T_c$ coincides with a structural phase transition from a tetragonal phase ($P4/nmm$) to a monoclinic phase ($P2_1$/m), which is similar to that observed in isostructural LaO$_{0.5}$F$_{0.5}$BiS$_2$. Our results suggest the presence of two different superconducting phases with distinct crystal structures in EuBiS$_2$F, which may be a general property of this family of BiS$_2$-based superconductors.

研究の動機と目的

• 新しく発見されたBiS₂ベース超伝導体であるEuBiS₂Fにおける圧力誘起超伝導の進化を調査すること。
• 圧力下で顕著に向上するTcが、構造的変化または電子的変化と関連しているかどうかを特定すること。
• 280 Kの抵抗異常（電荷密度波転移と提案されている）が超伝導挙動に果たす役割を明確にすること。
• EuBiS₂Fにおける高Tc相が、BiS₂ベース超伝導体群全体に共通する特徴であるかどうかを検討すること。

提案手法

• Tcおよび280 Kの抵抗異常を追跡するために、静水圧下で電気的抵抗測定が実施された。
• 超伝導転移の確認とTcの上昇温度の決定のために、交流磁化率測定が用いられた。
• 圧力下での構造的相転移の特定のために、粉末X線回折（XRD）が採用された。
• 圧力は立方体アンビルプレスを用いて印加され、XRDデータは室温で収集され、格子の変化をモニタリングした。
• 抵抗率、磁化率およびXRDデータを圧力範囲全体で相関させることで、相図が構築された。
• 電子散乱の変化を検出するために残留抵抗が分析され、p_c近辺での相共存を示唆した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuBiS₂FにおけるTcの顕著な増加が、構造的相転移と相関しているか？
• RQ2 Tcの増加と同時に280 Kの抵抗異常が抑制される圧力領域は同一であり、これはその起源について何を示唆するか？
• RQ3 EuBiS₂Fには、それぞれ異なる結晶構造に関連する二つの明確な超伝導相が存在するか？
• RQ4 モノクロイナル相（P2₁/m）における高Tc相が、テトラゴナル相（P4/nmm）における低Tc相よりも超伝導に有利であるか？
• RQ5 観察された挙動が、特に強い半導体的性質を示さない場合に、BiS₂ベース超伝導体全体に共通する特徴である可能性はあるか？

主な発見

• EuBiS₂FにおけるTcは、常圧で0.3 Kから1.4 GPaで8.6 Kに増加し、圧力下での顕著な向上を示した。
• 280 Kの抵抗異常（電荷密度波による可能性がある）は、p_c ≈ 1.4 GPaで抑制され、消失した。
• 1.4〜1.8 GPaの間で、XRDによりテトラゴナル（P4/nmm）からモノクロイナル（P2₁/m）への構造的相転移が確認された。
• 残留抵抗はp_c ≈ 1.4 GPaで段階的な低下を示し、相共存および電子的再構成を示唆した。
• 高Tc相はモノクロイナル構造に関連しており、この相が本質的に超伝導に有利である可能性を示唆した。
• 結果から、二つの明確な超伝導相—SC1（テトラゴナル、低Tc）およびSC2（モノクロイナル、高Tc）—が、圧力下のEuBiS₂Fで共存していることが示された。