[論文レビュー] Superconductivity induced by cobalt doping in iron-based oxyarsenides

Guang‐Han Cao, Cao Wang+7 more|ArXiv.org|Jul 8, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、コバルトドーピングが磁性を示すにもかかわらず、LaFeAsOのFe2As2導電層にわずか2.5%のCoをドーピングするだけでTc ~10 Kで超伝導性を誘発することを示した。これは、磁性不純物が超伝導対を破壊するとされる従来の見解に反する。超伝導転移温度Tcはx ≈ 0.075で最大値13 Kに達し、その後低下するため、銅酸化物系に類似したドーム型のTc(x)曲線を示すが、半導体的正常状態の挙動や、二重交換によるスピン密度波秩序の抑制という点で顕著な相違を示しており、非単純的で、動き回る電子が駆動する超伝導性である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Chemical doping has recently become a very important strategy to induce superconductivity especially in complex compounds. Distinguished examples include Ba-doped La$_2$CuO$_4$ (the first high temperature superconductor), K-doped BaBiO$_3$, K-doped C$_{60}$ and Na$_{x}$CoO$_{2}\cdot y$H$_{2}$O. The most recent example is F-doped LaFeAsO, which leads to a new class of high temperature superconductors. One notes that all the above dopants are non-magnetic, because magnetic atoms generally break superconducting Cooper pairs. In addition, the doping site was out of the (super)conducting structural unit (layer or framework). Here we report that superconductivity was realized by doping magnetic element cobalt into the (super)conducting-active Fe$_2$As$_2$ layers in LaFe$_{1-x}$Co$_{x}$AsO. At surprisingly small Co-doping level of $x$=0.025, the antiferromagnetic spin-density-wave transition in the parent compound is completely suppressed, and superconductivity with $T_c\sim $ 10 K emerges. With increasing Co content, $T_c$ shows a maximum of 13 K at $x\sim 0.075$, and then drops to below 2 K at $x$=0.15. This result suggests essential differences between previous cuprate superconductor and the present iron-based arsenide one.

研究の動機と目的

• 磁性コバルトドーピングがLaFeAsOのFe2As2導電層に与える影響を調査し、磁性イオンが超伝導対を破壊するとする長年の信念に挑戦すること。
• LaFe1-xCoxAsOの電子相図を評価し、特にスピン密度波(SDW)秩序の抑制と超伝導性の出現に注目して、Fドーピングされた類縁体と比較すること。
• Coドーピングが磁性および電子構造に与える影響、特に母体化合物におけるフラストレートな反強磁性秩序を破壊するFeとCo間の二重交換の役割を特定すること。
• この系における超伝導性がFe2As2層への電子ドーピングに起因するかを明らかにし、Tc以上で金属的か半導体的かの正常状態の挙動を同定すること。

提案手法

• 多結晶性LaFe1-xCoxAsO試料は、LaAs、La2O3、FeAs、Fe2As、Co3O4の化学计量比混合物を用い、真空中で固体反応法により合成した。酸化を防ぐためにアルゴンガローブボックス内で合成を実施した。
• X線回折(XRD)を用いて相純度および構造的整合性を確認し、テトラゴナルP4/nmm空間群とVegardの法則を用いてCoの含有を検証した。
• 電気抵抗率および磁化率(χ)は、Quantum Design MPMS-5システムを用いて測定し、超伝導転移、構造的転移、磁気的不連続性を特定した。
• 高圧合成を用いて、酸素欠損が超伝導性の原因でないことを除外した。酸素欠損を示す試料では通常a軸およびc軸の格子定数が減少するが、本研究ではそのような現象は観察されなかった。
• 抵抗率、磁化率、XRDデータを統合して電子相図を構築した。Tcは抵抗率の急低下から、χは10 Oeの磁場冷却プロトコルから決定した。
• スピン交換および二重交換メカニズムに基づく理論的解析を用い、スピン密度波秩序の抑制とCoが果たす役割を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性コバルトドーピングがLaFeAsOのFe2As2層に与えられても、従来の予想とは異なり、超伝導性を誘発できるか？
• RQ2 Coドーピングは母体化合物におけるスピン密度波(SDW)秩序にどのように影響を与え、その抑制のメカニズムは何か？
• RQ3 なぜ超伝導転移温度Tcはx ≈ 0.075でピークに達し、その後Coドーピング量の増加とともに低下するのか？Fドーピング系と比較するとどうなるか？
• RQ4 CoドーピングされたLaFe1-xCoxAsOの正常状態はTc以上で金属的か半導体的かの挙動を示すか？これは電子状態にどのような意味を持つのか？
• RQ5 FeとCo間の二重交換は、Fe2As2面におけるフラストレートな反強磁性秩序を破壊する役割を果たすのか？

主な発見

• 2.5%のCoドーピング（x = 0.025）で超伝導性がTc ≈ 10 Kで発現し、母体化合物の137 Kで観察される反強磁性スピン密度波(SDW)転移が完全に抑制された。
• 超伝導転移温度Tcはx ≈ 0.075で最大値13 Kに達し、銅酸化物系に類似したドーム型のTc(x)曲線を示したが、超伝導領域はやや狭い。
• Tc以上の正常状態では半導体的挙動を示したが、高温域では金属的伝導を示すため、従来の金属とは異なる複雑な電子状態を示している。
• 格子定数はCoドーピングに伴い線形に減少し、特にc軸が顕著に短縮されたが、a軸はほとんど変化しなかった。これにより、CoがFe2As2層に正確に置換されたことが確認された。
• 顕著なa軸収縮が観察されなかったため、酸素欠損が超伝導性の原因である可能性は否定された。酸素欠損を示す試料では通常a軸およびc軸が共に減少するため。
• 理論的解析により、CoドーピングがFeとCo間の二重交換を誘発し、反強磁性秩序を破壊するフェロ磁性的結合を導入することで、SDW秩序の急速な抑制が説明できることが示された。