[論文レビュー] Superconductivity at 25 K in hole doped $(La_{1-x}Sr_x)OFeAs$

HH Wen, Gang Mu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、三価のLa³⁺を二価のSr²⁺に置換することで穴キャリアを導入することにより、穴ドープ型(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsにおいて25 Kの超伝導性が発見されたことを報告している。ホール効果測定により、ホール主導の伝導が確認され、得られた相図は銅酸化物超伝導体のそれと非常に類似しており、鉄系と銅酸化物超伝導体の背後にあるメカニズムが共通している可能性を示唆している。

ABSTRACT

By partially substituting the tri-valence element La with di-valence element Sr in $LaOFeAs$, we introduced holes into the system. For the first time, we successfully synthesized the hole doped new superconductors $(La_{1-x}Sr_x)OFeAs$. The maximum superconducting transition temperature at about 25 K was observed at a doping level of x = 0.13. It is evidenced by Hall effect measurements that the conduction in this type of material is dominated by hole-like charge carriers, rather than electron-like ones. Together with the data of the electron doped system $La(O_{1-x}F_x)FeAs$, a generic phase diagram is depicted and is revealed to be similar to that of the cuprate superconductors.

研究の動機と目的

• 最近、La(O₁₋ₓFₓ)FeAsにおける電子ドープ型超伝導性の発見に続く、LaOFeAs系における穴ドープの研究を通じて超伝導性を誘発する道筋を探索すること。
• 電子ドープとは異なり、穴ドープが鉄系酸化物窒化物超伝導体に超伝導性を誘発できるかどうかを特定すること。
• ホール効果測定を用いてドーピング系におけるキャリアの種別と輸送特性を確立すること。
• 穴ドープおよび電子ドープ系からのデータを統合することで、鉄系超伝導体の一般的な相図を構築すること。
• 鉄系超伝導体と銅酸化物超伝導体の間の根本的な類似性、特に相図および潜在的な対称化メカニズムについての調査を行うこと。

提案手法

• 二段階の固体反応法を用いた(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsの合成：最初にFeAsペレットを形成し、その後SrCO₃およびLa₂O₃を用いた陽イオン置換を行う。
• X線回折（XRD）を用いてテトラゴナル構造および相純度を確認し、x = 0.13のときの格子定数をa = b = 4.0350 Å、c = 8.7710 Åとして精練した。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いて粒子内の元素組成を確認し、主相にLa、Sr、Fe、As、Oが存在することを確認した。
• 抵抗率およびホール効果測定を実施し、超伝導転移温度（Tc）およびキャリアの種別を決定した。
• SQUIDを用いた磁化率測定により、バルク的超伝導性を確認し、Tcの開始点を検証した。
• 穴ドープ型(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsと電子ドープ型La(O₁₋ₓFₓ)FeAsを比較し、一般的な相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaOFeAsにおける穴ドープが、以前の報告では電子ドープのみが効果的であるとされているにもかかわらず、超伝導性を誘発できるか？
• RQ2 穴ドープ型(La₁₋ₓSrₓ)OFeAs系における電荷キャリアの性質は、ホール的か電子的か？
• RQ3 穴ドープ型(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsの超伝導相図は、電子ドープ型La(O₁₋ₓFₓ)FeAsおよび銅酸化物超伝導体のそれとどのように比較できるか？
• RQ4 相図の類似性が、磁気フラクチュエーションに近接する共通のメカニズムを示唆するか？
• RQ5 特定のFe 3d軌道（例：dxy軌道）が、穴ドープ系における超伝導性の媒介に果たす役割は何か？

主な発見

• 最大Tcが25 Kに達する超伝導性が、(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsのSrドーピングレベルx = 0.13で観測された。
• 抵抗率の転移開始点は広いドーピング範囲（x = 0.10～0.20）で安定しており、強固な超伝導性が示された。
• ホール効果測定により、測定温度範囲全域で正のホール係数が観測され、系にホール的キャリアが存在することが確認された。
• 100 Kにおけるキャリア密度は、穴ドープ試料で4.57 × 10²⁰ cm⁻³と推定され、低キャリア密度であることが示された。
• XRDおよびEDXにより、主相が(La₁₋ₓSrₓ)OFeAsであり、より大きなSr²⁺イオン半径に起因する格子拡張が確認された。
• 穴ドープおよび電子ドープ系からのデータを統合して構築した一般的な相図は、銅酸化物超伝導体のそれと非常に類似しており、共通の現象的特徴を示唆している。