[論文レビュー] Structural collapse and 45 K superconductivity in electron-doped CaFe2As2

Sujoy Saha, N. P. Butch+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、Caサイトにおける同一価不純置換レアアース（R = La, Ce, Pr, Nd）を用いることで、電子ドーピングによりCaFe2As2で45 Kの超伝導を実証した。これにより、テトラゴナル単位格子内の構造的崩壊が誘発され、反強磁性秩序が抑制される。超伝導転移温度は、122鉄系超伝導体ファミリーにおいてこれまでに報告されたすべての値を上回り、制御された格子歪みと電子ドーピングが高Tc超伝導体の安定化に寄与することを示している。

ABSTRACT

The interplay between structural, magnetic and superconducting properties in the newly discovered iron-based superconducting compounds has been a central theme in attempts to elucidate the nature of Cooper pairing in this new family of high-temperature superconductors [1, 2]. In particular, manipulation of the electronic structure via chemical substitution or applied pressure is thought to play a key role in both the disruption of antiferromagnetic order and the stabilization of superconductivity with transition temperatures as high as 55 K in oxygen and fluorine-based iron-pnictide materials [3–6]. Here we present the stunning observation of 45 K superconductivity in electron-doped CaFe2As2, presenting the highest Tc in the intermetallic class of iron-based superconductors. The use of aliovalent rare earth substitution into the alkaline earth site allows us to tune both the lattice density and charge doping in this system, resulting in a controllably induced structural collapse of the tetragonal unit cell by choice of substituent ion size. Remarkably, the superconductivity appears to persist independent of the presence of a structural collapse, despite an abrupt change in electronic structure at the onset of interlayer bonding. With well over 700 compounds known to take on the ThCr2Si2-type (122) crystal structure [7], this configuration forms the basis for a rich variety of physical phenomena that stem from the fact that this structure not only supports a wide assortment of elemental combinations, but also harbors different mixtures of ionic, covalent and metallic bonding. The interesting chemistry of the AB2X2 configuration was highlighted in 1985 by R. Hoffman [8], who pointed out that a segregation of this large family of materials occurs due to the presence or absence of interlayer X-X bonding, which results in, respectively, either a ”collapsed” or “uncollapsed” tetragonal structure. Despite a ∼ 20% change in unit cell volume in traversing through Ba, Sr, and Ca-based series of AFe2As2 structures [9], this series of 122 materials remains in the uncollapsed structure geometry at ambient pressures. However, when a modest external pressure is applied to the smallest-volume member of the series, CaFe2As2, a structural collapse is indeed observed, with the tetragonal unit cell shrinking by ∼ 10% along its caxis.[10, 11] To stabilize the collapsed phase at ambient pressures, we have employed rare earth substitution into CaFe2As2. The close match between ionic radii of the lighter rare earths such as La, Ce, Pr and Nd (130, 128.3, 126.6 and 124.9 pm, respectively [12]) with that of Ca (126 pm) in the 8-coordinate geometry allows us to selectively tune the structural parameters with both larger and smaller relative radii, while electron-doping via aliovalent substitution of trivalent R 3+ ions for divalent Ca 2+ . This substitution acts to suppress antiferromagnetic (AFM) order and selectively induce a structural collapse depending on the choice of rare earth. More surprisingly, rare earth substitution into CaFe2As2 induces superconductivity with transition temperatures exceeding previous values found in any 122 material.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における構造的・磁気的・超伝導的相の相乗的相互作用を解明すること。
• 通常は高圧下でのみ安定するが、常圧下でCaFe2As2の崩壊テトラゴナル相を安定化させること。
• 同一価レアアース置換による電子ドーピングが、超伝導転移温度（Tc）および構造的変化に与える影響を調査すること。
• 構造的崩壊に伴う電子構造の急激な変化にもかかわらず、超伝導が維持されるかを検証すること。

提案手法

• CaFe2As2における二価Caの置換として、三価レアアースイオン（R = La, Ce, Pr, Nd）を同一価不純置換することで電子ドーピングを誘導し、格子定数を調整する。
• イオン半径の一致（R3+：124.9–130 pm に対し、Ca2+：126 pm）を用いて、構造的歪みを制御し、テトラゴナル単位格子内の構造的崩壊を誘導する。
• 外部圧力および化学的置換を用いて、通常は不安定な常圧下でも崩壊相を安定化させる。
• 磁気的および電気的輸送特性の測定により、超伝導転移および反強磁性秩序の抑制を特定する。
• X線または中性子回折を用いた結晶構造の分析により、単位格子体積の減少およびc軸の崩壊を確認する。
• 構造的パラメータ（特にc軸収縮）と超伝導Tc、磁気秩序の抑制の相関関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レアアースドーピングを用いることで、CaFe2As2の崩壊テトラゴナル相を常圧下で安定化させることができるか？
• RQ2 R3+置換による電子ドーピングが、CaFe2As2における反強磁性秩序の抑制にどのように影響するか？
• RQ3 構造的崩壊に伴い層間As–As結合が形成される状況下でも、超伝導が維持されるか？
• RQ4 このドーピング戦略により、122鉄系超伝導体ファミリーで達成可能な最大の超伝導転移温度は何か？

主な発見

• CaFe2As2への同一価不純置換レアアース（R = La, Ce, Pr, Nd）による電子ドーピングにより、常圧下でも崩壊テトラゴナル相が安定化した。
• レアアースドーピングによって、CaFe2As2におけるc軸の約10％の構造的崩壊が誘発され、層間As–As結合の形成が確認された。
• 45 Kの超伝導転移温度を示す超伝導が発現し、これは金属間化合物としての122鉄系超伝導体ファミリーで報告された最高値である。
• 構造的崩壊に伴い層間結合が形成される段階で電子構造が急激に変化するにもかかわらず、超伝導転移は維持された。
• 反強磁性秩序の抑制は、電子ドーピングの度合いおよび構造的歪みの度合いと直接相関していた。
• 122構造ファミリーは、イオン結合・共有結合・金属結合の調整が可能であり、広範な物理現象を示す。また、レアアースドーピングにより、従来は到達不可能とされてきた崩壊相にアクセス可能となった。