[論文レビュー] LaFeAsO$_{1-x}$F$_{x}$ thin films: high upper critical fields and evidence of weak link behavior

S. Haindl, M. Kidszun+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、パルスレーザー堆積法を用いて酸化ランタノフスチン鉄ヒ素酸酸化物（LaFeAsO₁₋ₓFₓ）薄膜をランタノアラミネート（LaAlO₃）基板上に成長させ、Tcが28 Kに達することを報告している。輸送測定から、約77 Tのパウリ制限上臨界磁場が得られ、結晶粒界に起因する弱い結合の明確な証拠が得られ、低臨界電流密度にもかかわらず、ジョセフソン接合や位相感受性研究への顕著な可能性が示唆されている。

ABSTRACT

High-quality superconducting LaFeAsO$_{1-x}$F$_{x}$ thin films were grown on single crystalline LaAlO$_{3}$ substrates with critical temperatures (onset) up to 28 K. Resistive measurements in high magnetic fields up to 40 T reveal a paramagnetically limited upper critical field, $μ_{0}H_{c2}$(0) around 77 T and a remarkable steep slope of -7.5 T/K near $T_{c}$. From transport measurements we observed a weak link behavior in low magnetic fields and the evidence for a broad reversible regime.

研究の動機と目的

• 最適化されたTcと不純相の最小化を実現した高品質な超伝導性LaFeAsO₁₋ₓFₓ薄膜の成長。
• 最大40 Tの高磁場下におけるこれらの薄膜の磁気的および輸送的性質の調査。
• 特に結晶粒界の役割を含めた、ストロベリーゲートダイナミクスおよびピン留め機構の特定。
• これらの薄膜がジョセフソン接合やマルチレイヤー素子に利用可能かどうかの評価。

提案手法

• 室温で、キリウムアルゴンレーザー（λ = 248 nm、τ = 30 ns、ε ≈ 4 J/cm²）を用いたパルスレーザー堆積法（PLD）により、単結晶LaAlO₃（001）基板上に薄膜を成長させた。
• 結晶性の向上と酸素欠損の低減を目的として、密封した石英チューブ内で950 °Cで4時間の外部処理（アンローディング）を実施した。
• 構造的特性評価には、透過型電子顕微鏡（TEM）、X線回折（ブラagg-ブレントァノ方式）、およびEELS/EDXを用いて相の均一性と化学 stoichiometry を評価した。
• 抵抗率および臨界電流密度の測定を、最大40 Tの磁場下で実施し、Hc2、不逆性、弱い結合の挙動を特定した。
• 磁場依存性Jcを弱い結合モデル Jc ∝ (1 + μ₀H/B*)⁻¹ にフィットさせ、結晶粒界の影響を評価した。
• ギンツブルグ＝ランダウ関係式を用いて、μ₀Hc2(0) = Φ₀/(2πξ²) からコherence長を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaFeAsO₁₋ₓFₓ薄膜の上臨界磁場Hc2(0)は何か？ また、パウリ反磁性効果によって制限されているか？
• RQ2 結晶粒界は、多結晶鉄ヒ素化物薄膜における臨界電流密度および輸送挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Jcの磁場依存性が、強力なピン留めではなく弱い結合の挙動を示す程度はどの程度か？
• RQ4 磁場相図に広い可逆的領域が存在するか？ これはストロベリーゲートダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ5 低Jcであるにもかかわらず、これらの薄膜が位相感受性測定を可能とするか、またはジョセフソン接合に利用可能か？

主な発見

• 超伝導転移開始温度（Tc）は28 Kに達し、抵抗がゼロに完全に低下するため、薄膜の高品質性が示された。
• 上臨界磁場Hc2(0)は約77 Tと推定され、パウリ制限と一致し、バルク多結晶データとも一致した。
• Tc近傍でのHc2の勾配は−6.2 T/Kであり、強い反磁性抑制とパウリ制限を示唆している。
• 臨界電流密度（Jc）は低く、その磁場依存性はJc ∝ (1 + μ₀H/B*)⁻¹ に従い、結晶粒界における弱い結合の挙動が確認された。
• コherence長ξは2.1 nmと推定され、カプリエートスや強発散性に特徴的な短いコherence長と一致しており、強い二次元性を示唆している。
• 広い可逆的領域が観察され、高磁場域で線形な電圧-電流特性を示し、強力なピン留めではなく、弱い結合が支配的なストロベリーゲートダイナミクスを示唆している。