[論文レビュー] Thorium-doping induced superconductivity in Gd1-xThxOFeAs

Cao Wang, Linjun Li+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、GdFeAsOにおけるトリウムドーピング（Th⁴⁺をGd³⁺に置換）が、類縁化合物におけるフッ素ドーピングの阻害要因であった格子不整合を克服し、記錉の56 Kの超伝導転移温度（Tc）を達成することを示した。より大きなTh⁴⁺イオンは格子応力を緩和し、FeAs層環境の最適化によって高Tc超伝導を実現する。

ABSTRACT

Following the discovery of superconductivity in an iron-based arsenide LaO1-xFxFeAs with a superconducting transition temperature (Tc) of 26 K[1], Tc was pushed up surprisingly to above 40 K by either applying pressure[2] or replacing La with Sm[3], Ce[4], Nd[5] and Pr[6]. The maximum Tc has climbed to 55 K, observed in SmO1-xFxFeAs[7, 8] and SmFeAsO1-x[9]. The value of Tc was found to increase with decreasing lattice parameters in LnFeAsO1-xFx (Ln stands for the lanthanide elements) at an apparently optimal doping level. However, the F- doping in GdFeAsO is particularly difficult[10,11] due to the lattice mismatch between the Gd2O2 layers and Fe2As2 layers. Here we report observation of superconductivity with Tc as high as 56 K by the Th4+ substitution for Gd3+ in GdFeAsO. The incorporation of relatively large Th4+ ions relaxes the lattice mismatch, hence induces the high temperature superconductivity.

研究の動機と目的

• GdFeAsOにおける格子不整合を克服し、効果的なフッ素ドーピングを妨げる要因を解消し、Tcを抑制する要因を排除すること。
• 鉄系酸化ヒ素化物における高い超伝導転移温度（Tc）を達成するため、フッ素以外の代替ドーピング戦略を検討すること。
• 四価のトリウム（Th⁴⁺）を三価のガドリニウム（Gd³⁺）に置換することで、高Tc超伝導を誘発できるかどうかを調査すること。
• Th⁴⁺ドーピングがFeAs層および全体の超伝導特性に与える構造的・電子的効果を特定すること。

提案手法

• Gd₂O₂層とFe₂As₂層間の格子応力を軽減するために、GdFeAsOにおけるGd³⁺にTh⁴⁺イオンを置換し、結晶構造を調整すること。
• 固体反応法を用いて、異なるThドーピングレベルを有するGd₁₋ₓThₓFeAsO試料を調製すること。
• 電気抵抗率および磁化率の測定を通じて、超伝導転移を特定し、Tc値を確認すること。
• 格子定数の変化を分析して構造的緩和を評価し、構造的変化と向上したTcとの相関関係を特定すること。
• 類縁の希土類酸化ヒ素化物における従来のフッ素ドーピング戦略と比較して、Th⁴⁺ドーピングの効果を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Th⁴⁺ドーピングは、GdFeAsOにおける格子不整合を効果的に緩和し、高Tc超伝導を実現できるか？
• RQ2 Gd₁₋ₓThₓFeAsOにおける最大Tcはどの程度であり、フッ素ドープ系と比較してどうなるか？
• RQ3 Th⁴⁺のイオン半径は、GdFeAsO系における構造的緩和および超伝導特性にどのように影響するか？
• RQ4 Th⁴⁺置換は、類縁の鉄系ヒ素化物において以前に報告されたTcを上回るか？

主な発見

• GdFeAsOにおけるトリウムドーピングは、最大で56 Kの超伝導転移温度（Tc）を示す超伝導を誘発し、ドーピングなしまたはフッ素ドーピングしたGdFeAsOに比べ顕著な向上を示した。
• より大きなTh⁴⁺イオンの導入により、Gd₂O₂層とFe₂As₂層間の格子応力が効果的に低減され、高Tc超伝導に適した構造的安定性が実現した。
• 56 Kという観察されたTcは、フッ素ドープGdFeAsOにおける以前の記録を上回り、Th⁴⁺置換が優れたドーピング戦略であることを実証した。
• イオンサイズの調整による格子定数の最適化が、鉄系超伝導体におけるより高いTcを達成するための実現可能な道筋であることが確認された。