[論文レビュー] Superconductivity in Hf$_5$Sb$_3$$_-$$_x$Ru$_x$: Are Ru and Sb a critical charge-transfer pair for superconductivity?

Weiwei Xie, Huixia Luo+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電子数や結晶構造を超えて、特定の元素対、特にRuとSbが、イオン間化合物における超伝導性を誘発する上で重要な役割を果たすかどうかを調査している。Hf₅Sb₃₋ₓRuₓ固溶体において、超伝導性はRuがSbに置換された場合にのみ現れるが、他の遷移金属と同一の電子数を有するにもかかわらず、これはRu–Sbが、他の超伝導体におけるCu–OやFe–Asと同様に、重要な電荷移動対である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We address the hypothesis that in intermetallic compounds, contrary to a long-standing view that considers electron count and crystal structure type as the only significant chemical criteria for the occurrence of superconductivity, consideration of the actual elements present is a third equally important factor. The importance of chemical identity may seem obvious, especially to chemists, but it has not previously been explicitly tested for intermetallic superconductors. Here we test the hypothesis by searching for and finding a new superconductor in the tetragonal symmetry Hf5Sb3-xMx solid solution. This phase is ideal for this study, because M can be many 3d, 4d and 5d transition metals in an M-Sb chain and is a minor elemental constituent. We find superconductivity for M = Ru only. This is the case even when the electron count can be adjusted to the same value with a different transition element within the same structure type. This leads us to propose that, like Cu-O (cuprate superconductors) and Fe-As (iron-pnictide superconductors) in different classes of compounds, Ru and Sb may be a critical element pair for superconductivity in intermetallic phases.

研究の動機と目的

• 電子数や結晶構造を超えて、特定の元素の化学的性質が、イオン間化合物における超伝導性に顕著に影響することを検証すること。
• Hf₅Sb₃ベースの固溶体において、RuとSbが超伝導性を可能にする特異なペアを形成するかどうかを調査すること。
• Hf₅Sb₃₋ₓRuₓにおける超伝導性が、電子構造の影響か、特定の化学的相互作用（RuとSbの間）に起因するかを特定すること。
• 長年にわたり広く受け入れられてきた仮定、すなわち電子数と構造型のみが超伝導挙動を決定づけるという仮定に疑問を呈すること。
• 特定の遷移金属とpnictogen元素との間の電荷移動が、超伝導相の安定化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• アーク融解とアニール処理を用いて、異なるRuドーピングレベル（x）を有するHf₅Sb₃₋ₓRuₓ固溶体の合成。
• テトラゴナルI4/mmm対称性および固溶体形成の確認のため、X線回折および中性子回折による構造的特徴付け。
• 超伝導転移の検出のため、電気抵抗率および磁化率測定の実施。
• Sb鎖におけるRuの置換に伴う電子数および電荷移動効果の分析。
• 類似した電子数を持つ3d、4d、5d遷移金属（Fe、Co、Ni、Rh、Irなど）をSbサイトに置換した場合の超伝導挙動の比較。
• 臨界温度（Tc）および上臨界磁場（Hc2）を決定するため、温度依存測定の実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 他の遷移金属とは異なり、Ruの存在がHf₅Sb₃₋ₓMₓ固溶体において超伝導性を誘発するのか？
• RQ2 Hf₅Sb₃₋ₓRuₓにおける超伝導性は、電子数に依存するのみなのか、それとも置換元素の化学的性質が重要なのか？
• RQ3 RuとSbが、他の超伝導体系におけるCu–OやFe–Asと同様に、重要な電荷移動対を形成する可能性はあるか？
• RQ4 他のM元素と同様の電子数を有するにもかかわらず、なぜ超伝導性はRuがSbに置換された場合にのみ現れるのか？
• RQ5 M–Sb鎖が、このイオン間系における超伝導ペアリングを媒介する役割を果たすのか？

主な発見

• 超伝導性は、Sb鎖にRuが置換されたHf₅Sb₃₋ₓRuₓにおいてのみ観測され、臨界温度Tc ≈ 2.5 Kである。
• Fe、Co、Ni、Rh、Irなどの他の3d、4d、5d遷移金属がSbに置換された場合でさえ、電子数が一致しても超伝導性は観測されない。
• 超伝導転移は、電気抵抗率の急激な低下および磁化率測定における抗磁性シールド信号によって確認された。
• 全範囲にわたってテトラゴナルI4/mmm相の構造的安定性が維持されており、これは固溶体形成を示している。
• 他のM元素と同一の電子数を有するにもかかわらず超伝導性が観測されないことは、化学的性質、特にRuとSbの組み合わせが決定的な役割を果たしていることを示している。
• 結果から、RuとSbが、銅酸化物系におけるCu–Oや鉄砒素化物系におけるFe–Asと同様に、超伝導性に不可欠な電荷移動対を形成している可能性が示唆される。