[論文レビュー] Superconductivity in alkali-earth metals doped phenanthrene

X. F. Wang, Yingbai Yan+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2011

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、アルカリ土族金属ドーピングされたフラーレンに超伝導性が報告され、臨界温度はSr1.5フラーレンで5.6 K、Ba1.5フラーレンで5.4 Kであり、Ba1.5フラーレンでは65.4%の高いマイスナー効果分率を達成した。ドーパントからの電荷移動によりラマンスペクトルにおけるフォノンの軟化が観察され、Tcの正の圧力依存性が示され、この有機π電子系において非単純な超伝導性が示唆された。

ABSTRACT

We discover superconductivity in alkali-earth metals doped phenanthrene. The superconducting critical temperatures \emph{T}$_c$ are 5.6 K and 5.4 K for Sr$_{1.5}$phenanthrene and Ba$_{1.5}$phenanthrene, respectively. The shielding fraction of Ba$_{1.5}$phenanthrene exceeds 65%. The Raman spectra show 8 cm$^{-1}$/electron and 7 cm$^{-1}$/electron downshifts for the mode at 1441 cm$^{-1}$ due to the charge transfer to organic molecules from the dopants of Ba and Sr. Similar behavior has been observed in A$_3$phenanthrene and A$_3$C$_{60}$(A = K and Rb). The positive pressure effect in Sr$_{1.5}$phenanthrene and Ba$_{1.5}$phenanthrene together with the lower $T_c$ with larger lattice indicates unconventional superconductivity in this organic system.

研究の動機と目的

• アルカリ土族金属ドーピングフラーレンという新しい有機π分子超伝導体の超伝導性を調査すること。
• カリウムドーピングピセンやフラーレンのような従来の有機超伝導体における低い超伝導分率の問題を解決すること。
• 電荷移動および格子効果が超伝導転移温度（Tc）に与える影響を調査すること。
• 圧力および分光的測定を通じて、観察された超伝導性が単純なものか、非単純なものかを特定すること。
• 有機材料における内在的超伝導メカニズムの研究に適した高品質で高マイスナー分率のシステムを確立すること。

提案手法

• 固体反応法を用いてSr1.5およびBa1.5フラーレンを合成：精製されたフラーレンとBa/Sr粉末を混合し、ペレットに圧縮し、8日間、230 °Cで真空下でアニールし、中間段階で粉砕を実施。
• X線回折（XRD）を用いて結晶構造を特徴づけ、ドーピング相の形成が確認され、フラーレン格子が保持されていることを確認。
• ゼロ磁場冷却（ZFC）および磁場冷却（FC）条件下での磁化率（χ）測定により、マイスナー効果の検出およびTcとマイスナー分率の決定を実施。
• 最大1.0 GPaまでの高圧磁化率測定を実施し、Tcの圧力依存性を調査。
• ラマンスペクトルを取得し、ドーパントからフラーレン分子への電荷移動に起因するフォノンモードのシフトを分析。
• 1電子あたりのラマンシフト（cm⁻¹/e⁻）を用いて電荷移動効果を定量化し、アルカリ金属ドーピング系（例：A3C60、A3フラーレン）と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルカリ土族金属ドーピングフラーレンに超伝導性が実現可能であり、その臨界温度は何か？
• RQ2 Ba1.5およびSr1.5フラーレンにおける超伝導マイスナー分率は何か？また、アルカリ金属ドーピングアナログと比較してどうか？
• RQ3 印加された静水圧がこれらの材料における超伝導転移温度にどのように影響するか？
• RQ4 ラマン分光法によって明らかになった電荷移動とフォノンの軟化の関係は何か？
• RQ5 観察されたTcの正の圧力依存性は、この有機系で非単純な超伝導性を示唆するか？

主な発見

• Sr1.5フラーレンはTc = 5.6 K、Ba1.5フラーレンはTc = 5.4 Kで超伝導性を示すことが、磁化率測定により確認された。
• Ba1.5フラーレンでは2 Kで65.4%のマイスナー分率に達し、カリウムドーピングピセンおよびフラーレンで報告された1.2%および5.3%と比べ顕著に高い。
• 超伝導転移幅は約0.8 Kであり、K3フラーレンおよびRb3フラーレンと同等で、サンプルの均一性が非常に高いことを示している。
• ラマンスペクトルでは、Sr1.5フラーレンで25 cm⁻¹の赤シフト（1441から1416 cm⁻¹）、Ba1.5フラーレンで22 cm⁻¹の赤シフトが観察され、それぞれ1電子あたり8 cm⁻¹/e⁻および7 cm⁻¹/e⁻のシフトが電荷移動に起因する。
• 両材料ともTcの正の圧力依存性を示し、d(Tc(P)/Tc(0))/dP ≈ 0.21 GPa⁻¹（Sr）および0.23 GPa⁻¹（Ba）であり、非単純な超伝導性を示唆している。
• より大きな格子体積を示すBa1.5フラーレンではTcが低く、状態密度の増加にもかかわらずBCS理論に反するため、非単純ペアリングをさらに支持する。