[論文レビュー] Superconductivity in $p$-Terphenyl

Ren‐Shu Wang, Yun Gao+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Conducting polymers and applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、7.2 Kの臨界温度を示すカリウムドープp-テルフェニルにおける超伝導性が実証され、ラマン分光法により二重子状態が同定され、dcおよびac磁化率測定により型II超伝導行動が確認された。電子格子相互作用、顕著な二重子バンドによって裏付けられる、この導電性ポリマー系における超伝導性の駆動要因として提案される。

ABSTRACT

Motivated by the exploration of bipolaronic superconductivity in conducting polymers, we examine such a possibility in the starting member of $p$-oligophenyls $-$ $p$-terphenyl with three phenyl rings, belonging to the family of conducting polymer polyparaphenylene. The formation of bipolarons is identified from Raman scattering measurements. Both the dc and ac magnetic susceptibility measurements reveal that $p$-terphenyl is a type-II superconductor with a critical temperature of 7.2 K upon doping potassium. The electron-lattice interaction, manifested by pronounced bipolaronic bands, is suggested to account for the observed superconductivity. Conducting polymers are thus demonstrated to have the potential for the development of new superconducting technologies and devices.

研究の動機と目的

• p-オリゴフェニル族の最も単純なメンバーであり、ポリパラフェニレンの誘導体であるp-テルフェニルにおける超伝導性の可能性を調査すること。
• 強い電子格子結合によって形成される自己局在化電荷キャリアである二重子状態が、導電性ポリマーにおける超伝導性を媒介する可能性を検討すること。
• カリウムドープp-テルフェニルにおける超伝導臨界温度を特定し、超伝導状態（例：型Iまたは型II）を分類すること。
• 高いTc材料の可能性を有する有機材料における超伝導性の実現に寄与する電子格子相互作用の役割を評価すること。

提案手法

• 以前に報告された手法に従い、精製されたp-テルフェニルとカリウム金属を用いてカリウムドープp-テルフェニルを合成した。
• 低レーザー出力（<1 mW）を用いた660 nmのラマン散乱測定により、振動モードを調べ、二重子状態の形成を同定した。
• マイスナー効果の検出および臨界場Hc1とHc2の決定を目的として、dcおよびac磁化率測定を実施した。
• Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）理論を用いて上臨界場Hc2(T)にフィットし、Hc2(0)を抽出した。
• フラックス量子Φ0を含む標準的な式を用いて、Hc1(0)およびHc2(0)からGinzburg-LandauパラメータλLおよびξGLを計算した。
• 磁化ループおよびM-H曲線の分析により、型II超伝導行動の確認と、線形から非線形への偏差から臨界場を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p-テルフェニル、すなわち明確な構造を持つプロトタイプ導電性ポリマーにおいて、超伝導性が実現可能か？
• RQ2 ラマン分光法によって示唆される二重子の形成が、ドープp-テルフェニルにおける超伝導性の出現と相関しているか？
• RQ3 カリウムドープp-テルフェニルにおける超伝導状態の性質は何か。具体的には、型Iまたは型II超伝導体であるか？
• RQ4 臨界場Hc1およびHc2は温度にどのように依存するか。それらの値は、超伝導コherence長および浸透深度にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 二重子バンドとして現れる電子格子結合は、この有機系における超伝導性の駆動要因として、どの程度の寄与をしているか？

主な発見

• カリウムドープp-テルフェニルにおいて、dcおよびac磁化率測定により両方でTc = 7.2 Kの超伝導転移が観測された。
• Werthamer-Helfand-Hohenberg理論を用いて、下臨界場Hc1(0)は163 ± 2 Oe、上臨界場Hc2(0)は1317 ± 22 Oeと決定された。
• Ginzburg-Landauコherence長ξGLは500 ± 4 Å、London浸透深度λLは760 ± 3 Åと計算され、Ginzburg-Landauパラメータκ = 1.52が得られた。
• 磁化ループはひし形に近い形状を示し、ヒステリシスを示しており、材料が臨界場に応じて磁束の貫入深さが増加する型II超伝導体であることを確認した。
• ラマン分光法により、ドーピングに伴い振動モードに顕著な変化が観察され、キノイド的特徴の強化およびボンズ長の変化が確認され、二重子状態の形成が示された。
• ゼロ温度におけるGinzburg-Landauパラメータκ = 1.52は、一部の銅酸化物超伝導体と近い値であり、相対的に強い超伝導ペアリング機構を示唆している。