[論文レビュー] Ordered Defects: A Roadmap towards room temperature Superconductivity and Magnetic Order

P. Esquinazi|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、グラファイトや酸化物における原子空孔や二次元界面といった制御された欠陥が、室温での磁性秩序および高臨界温度超伝導を誘発できることを提案している。低エネルギーイオン線照射を用いて制御された欠陥アレイを形成することで、本研究はグラファイトおよびバイレイヤー・グラフェンにおける本質的で室温でのフェロ磁性を実証するとともに、約17 Kまでのグレイン状超伝導を観測し、非超伝導性材料における欠陥工学によって室温超伝導に至る道筋を示唆している。

ABSTRACT

Defects in the atomic lattice of solids are sometimes desired. For example, atomic vacancies, single ones or more elaborated defective structures, can generate localized magnetic moments in a non magnetic crystalline lattice. Increasing their density to a few percent magnetic order can appear. Furthermore, certain two dimensional interfaces can give rise to localized superconductivity with a broad range of critical temperatures. Old and new experimental facts emphasize the need to join efforts to start using systematically "ordered defects" in solids to achieve room temperature superconductivity and magnetic order.

研究の動機と目的

• 秩序化された格子欠陥が非磁性材料において高温で磁性秩序および超伝導秩序を誘発できるかどうかを調査すること。
• 低エネルギーイオン線照射が、室温でグラファイトおよびTiO2に安定で本質的な磁性秩序を生成できることを実証すること。
• ねじれボトムレイヤー・グラフェンやベーナル／ラモルホードラモルホードラム型スターリング境界といった二次元界面が、高臨界温度超伝導を可能にする役割を調査すること。
• 体系的な欠陥工学を用いて室温超伝導および磁性特性を有する材料を設計するためのロードマップを確立すること。
• グラファイトおよび関連系における欠陥誘発超伝導の背後にある物理的メカニズム（例えば、van Hove特異性およびジョセフソン結合）を同定および特徴付けること。

提案手法

• グラファイトやTiO2といった非磁性材料に、制御された空孔および欠陥クラスタを形成するために、低エネルギーイオン線照射（例：約300 eVプロトンビーム）を用いる。
• 局所的な電子状態、磁気モーメント、欠陥部位における超伝導ギャップを調べるために、走査トンネル顕微鏡（STM）およびスペクトロスコピーを活用する。
• Curie温度が300 Kを超える本質的で長距離磁性秩序を確認するため、X線磁気円二色性（XMCD）およびNMRを適用する。
• 磁性界面に起因するスピンフィルター効果および巨大正磁気抵抗を検出するために、ナノ構造ヘテロ構造における輸送および磁気抵抗を測定する。
• アムベゴーカル＝ハルペリンモデルを用いてI-V特性を解析し、超伝導パッチ間のジョセフソン結合を同定する。
• 埋め込まれた界面にアクセスし、ボリュームグラファイト試料におけるジョセフソン応答を測定するために、透過型電子顕微鏡（TEM）ラミネートを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性格子内の秩序化された原子空孔が、室温で本質的磁性秩序を誘発できるか？
• RQ2 ねじれボトムレイヤー・グラフェンやベーナル／ラモルホードラム型スターリング境界といった二次元界面が、高臨界温度超伝導を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 モアレスーパーストラクチャにおけるvan Hove特異性およびバンドフラットニングが、超伝導の出現にどのように寄与するか？
• RQ4 グラファイトにおけるグレイン状超伝導は、本質的か外的要因に起因するか、また欠陥密度および界面構造にどのように依存するか？
• RQ5 低エネルギーイオン線照射が、酸化物薄膜における垂直磁気異方性を効率的かつ低コストでエンジニアリングするためのスケーラブルな手法として利用可能か？

主な発見

• 低エネルギープロトン線照射により、Curie温度が300 Kを超える本質的で長距離フェロ磁性秩序がボリュームグラファイトに誘発され、XMCDおよびNMRで確認された。
• グラファイトにおけるC空孔または水素原子の密度が5%に達すると、元素選択的XMCDおよび磁化測定によって、室温で磁性秩序が顕在することが裏付けられた。
• 1.05°のねじれ角を持つバイレイヤー・グラフェンでは、モアレスーパーストラクチャにおけるvan Hove特異性およびバンドフラットニングと関連して、臨界温度が約1 Kの超伝導が出現した。
• ボリュームグラファイト試料においてグレイン状超伝導が観測され、超伝導パッチ間のジョセフソン結合が磁束捕獲および外部磁場除去後の残留抵抗を引き起こした。
• ポイントコンタクトスペクトロスコピーにより、グラファイト表面領域にBCS型の超伝導ギャップが観測され、臨界温度が14 Kであった。これは局所的超伝導を示唆している。
• TiO2薄膜への低エネルギーイオン線照射により、安定なTi二重空孔に起因して室温フェロ磁性が誘発され、膜面に垂直な磁気異方性が観測された。また、ナノ構造化領域では垂直磁気異方性の可能性が示された。