[論文レビュー] Tunable superconductivity in Fe-pnictide heterointerfaces by diffusion control

S. Haindl, S. A. Nikolaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Iron-based superconductors research参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、原子的に滑らかな界面を介して制御されたCo²⁺カチオンおよびO²⁻アニオンの拡散を用いて、Feアルカライド系ハイブリッド構造（LnOFeAs/BaFe2As2、Ln = La, Sm）におけるチューナブルな超伝導性を示した。界面にドーピングを施すことで、Coドーピングを施したバージョンでは超伝導性が発現した一方、過剰な酸素が時間依存的な金属-超伝導体転移を引き起こし、鉄系超伝導体の電子的性質を精密に制御可能であることを示した。

ABSTRACT

New Fe-pnictide heterostructures of the type LnOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ (Ln = La, Sm) were grown by pulsed laser deposition (PLD) and investigated. Their common structural unit of [Fe$_2$As$_2$] planes allows perfect matching between the different Fe-pnictide unit cells and a coherent and atomically sharp interface. We test the stability of the heterointerface in the presence of Co$^{2+}$ (cations) as well as for excess O$^{2-}$ (anions) and discuss the consequences on the electronic properties: While undoped SmOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ remains non-superconducting, a balanced Co-concentration after diffusion across the interface results in superconductivity within Co-substituted variants. In contrast, excess O$^{2-}$ causes the formation of an interfacial layer in SmOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ with increased O$^{2-}$/As$^{3-}$ ratio and develops a metal-to-superconductor transition with time. The engineered heterointerfaces may provide a sophisticated pathway to bridge the gap between Fe-pnictides and Fe-chalcogenides.

研究の動機と目的

• ドーパントの界面を介した制御された拡散を用いて、Feアルカライド系ヘテロ構造における超伝導性をチューニングする手法を開発すること。
• カチオン（Co²⁺）およびアニオン（O²⁻）ドーピング下でのFeアルカライド系ヘテロインターフェースの安定性と電子的応答を調査すること。
• 設計されたヘテロインターフェースが、高度な超伝導デバイスのためのFeアルカライド系とFeチalcogenidesの間のブリッジとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 原子的滑らかな界面を有するエピタキシャルヘテロ構造（LnOFeAs/BaFe2As2、Ln = La, Sm）を脈動レーザー蒸着（PLD）法を用いて成長させた。
• 界面を横切るCo²⁺カチオンの拡散を制御することで、均一なドーピングを実現し、超伝導性を誘発した。
• 界面化学および電子的相の進化を調査するために、過剰なO²⁻アニオンを導入した。
• 構造的および電子的性質を、インシチュおよびエクスィチュの技術を用いて特徴付け、相の進化および超伝導転移をモニタリングした。
• Fe2As2面の整列により、格子整合性が確保され、一貫性のあるヘテロインターフェースが形成された。
• 時間分解測定を用いて、O²⁻過剰下における界面層の進化および金属-超伝導体転移の動的変化を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Feアルカライド系ヘテロインターフェースを横切るCo²⁺の制御された拡散が、超伝導性の出現にどのように影響するか？
• RQ2 過剰なO²⁻が界面電子構造をどのように変化させ、超伝導性を誘発するか？
• RQ3 SmOFeAsとBaFe2As2の界面が、安定的かつチューナブルな超伝導状態を支持できるか？
• RQ4 O²⁻過剰下で界面化学が時間経過とともにどのように進化するか、およびその電子的輸送特性に与える影響は何か？
• RQ5 Feアルカライド系ヘテロインターフェースをどれほど工学的に制御して、Feチalcogenidesの性質を模倣または橋渡しできるか？

主な発見

• ドーピングのないSmOFeAs/BaFe2As2ヘテロ構造は非超伝導性のままであり、これは内在的ドーピングだけでは超伝導性を誘発できないことを示している。
• 界面を横切るCo²⁺の制御された拡散により、Co置換型が形成され、超伝導性を示すことが確認された。これはカチオンドーピングによるチューナビリティを示している。
• 過剰なO²⁻は、O²⁻/As³⁻比が上昇した界面層の形成を誘導し、時間経過とともに変化した。
• このO²⁻誘導界面層は時間依存的な金属-超伝導体転移を示し、動的電子的相工学の可能性を示している。
• 一貫性があり原子的に滑らかな界面により、ドーピングプロファイルおよび電子的性質の精密な制御が可能になった。
• これらの結果は、Feアルカライド系ヘテロ構造を、Feチalcogenides系システムとのギャップを埋めるように、特性を調整可能な形で工学的に設計するための実現可能性のある道筋を示唆している。