[論文レビュー] Pressure Study of BiS2-Based Superconductors Bi4O4S3 and La(O,F)BiS2

Hisashi Kotegawa, Yusuke Tomita+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2012

Metallurgical Processes and Thermodynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、静水圧を用いた電気的抵抗率測定により、BiS2系材料Bi4O4S3およびLa(O,F)BiS2における圧力誘発超伝導を調査した。金属的であるBi4O4S3では超伝導転移温度（Tc）が単調に低下するが、半導体的であるLa(O,F)BiS2では初期に増加し、その後減少するという特徴を示し、これは金属-絶縁体遷移の近傍に高いTcが出現することを示唆しており、フェルミ準拡散の不安定性が、低キャリア密度および状態密度にもかかわらず超伝導性を強化する鍵的要因であることを示している。

ABSTRACT

We report the electrical resistivity measurements under pressure for the recently discovered BiS2-based layered superconductors Bi4O4S3 and La(O,F)BiS2. In Bi4O4S3, the transition temperature Tc decreases monotonically without a distinct change in the metallic behavior in the normal state. In La(O,F)BiS2, on the other hand, Tc initially increases with increasing pressure and then decreases above ? 1 GPa. The semiconducting behavior in the normal state is suppressed markedly and monotonically, whereas the evolution of Tc is nonlinear. The strong suppression of the semiconducting behavior without doping in La(O,F)BiS2 suggests that the Fermi surface is located in the vicinity of some instability. In the present study, we elucidate that the superconductivity in the BiS2 layer favors the Fermi surface at the boundary between the semiconducting and metallic behaviors.

研究の動機と目的

• Bi4O4S3およびLa(O,F)BiS2というBiS2系超伝導体における超伝導転移温度（Tc）の圧力依存性を調査すること。
• 特に金属-絶縁体遷移付近において、電子構造およびフェルミ準拡散のトポロジーがTcを決定する役割を理解すること。
• フェルミ準拡散が、伝導帯端や擬似ギャップ領域のような不安定性の近くにある場合に、超伝導性が強化されるかどうかを明確にすること。
• 圧力がLa(O,F)BiS2における半導体的挙動をどのように抑制するか、およびそのTcの変化ととの相関関係を調査すること。

提案手法

• 最大約4 GPaの静水圧を用いたDaphne 7474を用いたインデンターセルを用いて、電気的抵抗率測定を実施した。
• 抵抗率測定には銀ペイント接触を用いた四端子法を採用し、Tcの上昇点および零抵抗転移の正確な決定を可能にした。
• 圧力のキャリブレーションには lead マノメーターの超伝導転移温度を用いた。
• Bi4O4S3およびLaO0.5F0.5BiS2の多結晶試料は、それぞれ固体反応法および高圧アニーリング法により合成した。
• Tcの圧力依存性は、抵抗率曲線における上昇点（Tc,onset）および零抵抗（Tc,zero）転移の追跡により分析した。
• 理論的解釈は、フェルミ準拡散の不安定性、トポロジカル変化に近接するバンド構造、および半導体的挙動に寄与する不純物準位の役割に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力はBi4O4S3およびLa(O,F)BiS2における超伝導転移温度Tcにどのように影響を与えるか？
• RQ2 キャリア密度が低いにもかかわらず、なぜLa(O,F)BiS2におけるTcはBi4O4S3よりも高いのか？
• RQ3 LaO0.5F0.5BiS2における半導体的挙動の起源は何か？ また、圧力がその挙動をどのように抑制するか？
• RQ4 フェルミ準拡散がバンド端または不安定性に近接している場合とTcの増幅に相関があるか？
• RQ5 La(O,F)BiS2における非線形的Tcの変化は、量子臨界点付近のスピン揺らぎや電子相関効果によって説明可能か？

主な発見

• Bi4O4S3では、Tcが圧力とともに単調に低下し、初期勾配は-1.1 K/GPaであり、金属的常態抵抗率に顕著な変化は認められなかった。
• La(O,F)BiS2では、圧力が約1 GPaに達するまでTcが増加し、その後減少するという非単調な超伝導応答を示した。
• La(O,F)BiS2における半導体的挙動は圧力が上昇するにつれて強く抑制され、金属的性質およびフェルミ準拡散再構築の兆候が示された。
• ドーピングを伴わずに半導体的挙動が抑制されることから、フェルミ準拡散が臨界不安定性の近くに位置している可能性が示唆され、伝導帯端または不純物準位付近にある可能性がある。
• La(O,F)BiS2における最高Tc（約10 K）は金属-絶縁体境界付近に現れ、フェルミ準拡散が完全に金属的状態にある場合よりも不安定性の近くに位置するとき、超伝導性が好まれる傾向があることを示している。
• 本結果から、BiS2系超伝導体における高いTcは、主に高い状態密度に起因するのではなく、量子臨界点またはフェルミ準拡散の不安定性に近接することに起因する可能性が示唆された。