[論文レビュー] Pressure Effects on the Superconducting and Spin-Density-Wave States of the Newly Discovered Sm(O1-xFx)FeAs

B. Lorenz, Kalyan Sasmal+5 more|ArXiv.org|Apr 10, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Sm(O1-xFx)FeAsにおけるスピン密度波（SDW）状態と超伝導状態への圧力効果を調査し、ドーピングレベル（x）に応じて圧力がTcを増強または抑制することを明らかにした。アンダードープ状態（x = 0.13）では圧力下でTcが上昇し、オーバードープ状態（x = 0.30）では低下する。結果から、最適ドーピング近辺でTcのピークが50–60 Kの範囲に存在することが示唆され、Sm(O1-xFx)FeAsはTc > 50 Kを達成できるのは狭いドーピング窓に限られ、今後のTcの向上にはRE(O1-xFx)FeAsを超える新しい化合物系の開発が不可欠である可能性がある。

ABSTRACT

High temperature superconductors with a Tc above 40 K have been found to be strongly correlated electron systems and to have a layered structure. Guided by these rules, Kamihara et al. discovered a Tc up to 26 K in the layered La(O1-xFx)FeAs. By replacing La with tri-valence rare-earth elements RE of smaller ionic radii, Tc has subsequently been raised to 41-52 K. Many theoretical models have been proposed emphasizing the important magnetic origin of superconductivity in this compound system and a possible further Tc-enhancement in RE(O1-xFx)FeAs by compression. This later prediction appears to be supported by the pressure-induced Tc-increase in La(O0.89F0.11)FeAs observed. Here we show that, in contrast to previous expectations, pressure can either suppress or enhance Tc, depending on the doping level, suggesting that a Tc exceeding 50's K may be found only in the yet-to-be discovered compound systems related to but different from R(O1-xFx)FeAs and that the Tc of La(O1-xFx)FeAs and Sm(O1-xFx)FeAs may be further raised to 50's K.

研究の動機と目的

• Sm(O1-xFx)FeAsにおける超伝導転移温度（Tc）の圧力依存性を、さまざまなドーピングレベルで理解すること。
• 理論予測通り圧力がスピン密度波（SDW）状態を抑制するかを調査し、それが超伝導性に与える影響を明らかにすること。
• Sm(O1-xFx)FeAsにおけるTcが50 Kを超えることが可能かどうか、あるいはその向上にはRE(O1-xFx)FeAsを超える新しい化合物系が必要かを特定すること。
• 化学的ドーピングを用いずに圧力を加えることで、SDW秩序と超伝導性の関係を明確にすること。

提案手法

• 多結晶Sm(O1-xFx)FeAs試料（x = 0.13, 0.30, およびx = 0.05）を用い、高圧抵抗測定を実施した。
• 水圧的圧力まで約2.5 GPaをかけた抵抗曲線から、Tcの圧力依存性を抽出した。
• 抵抗率の微分dR/dTのピークからスピン密度波（SDW）転移温度（TSDW）を特定し、圧力下での変化を追跡した。
• Tcの圧力応答を理論的予測と比較し、特に高温超伝導体（cuprate）における普遍的な放物型Tc(n)依存性と照らした。
• 抵抗ピークのシフトと縮小により、圧力下でのSDW状態の抑制が確認された。
• Sm(O1-xFx)FeAsの圧力応答を、以前に正のdTc/dPが観測されたLa(O1-xFx)FeAsと比較分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力はSm(O1-xFx)FeAsのTcを増強するか、抑制するか。その効果はフッ素ドーピングレベル（x）にどのように依存するか。
• RQ2 理論的予測通り圧力下でスピン密度波（SDW）状態が抑制され、抵抗率データからもその兆候が観察されるか。
• RQ3 圧力調整によってSm(O1-xFx)FeAsのTcが50 Kを超えることは可能か。それとも、現在のRE(O1-xFx)FeAs系の制限によってその限界に達しているか。
• RQ4 Sm(O1-xFx)FeAsにおけるTcの圧力応答は、高温超伝導体で観察された普遍的な放物型Tc(n)依存性に従うか。
• RQ5 RE(O1-xFx)FeAs系における最大Tcは約50 Kに制限されるのか、それとも未発見の化合物系でそれを超える可能性があるか。

主な発見

• アンダードープ試料（x = 0.13）では、Tcが圧力下で上昇し、正のdTc/dP ≈ 1.2 K/GPaを示し、超伝導性の強化を示した。
• オーバードープ試料（x = 0.30）では、Tcが圧力下で低下し、高温超伝導体のオーバードープ領域と一致する。
• スピン密度波転移温度（TSDW）は圧力によって抑制され、抵抗ピークの下方シフトと縮小により確認された。これにより、圧力がSDW状態を破壊することが裏付けられた。
• 観察されたドーピング依存の圧力応答から、Sm(O1-xFx)FeAsにおけるTcはx = 0.13とx = 0.30の間でピークを迎え、予測される最大Tcは50–60 Kの範囲に位置するとされた。
• これらの結果から、RE(O1-xFx)FeAs系において50 Kを超えるTcのさらなる向上はドーピングや圧力のみでは達成できない可能性があり、新たな化合物系の開発が不可欠であると示唆された。
• 本研究では、圧力とFドーピングがSDW状態の抑制に類似した効果を持つことが確認されたが、Tcへの影響は非単調的かつドーピング依存的であり、圧力がTcを普遍的に向上させるという仮定に疑問を呈した。