[論文レビュー] Superconductivity in novel BiS2-based layered superconductor LaO1-xFxBiS2

Yoshikazu Mizuguchi, Satoshi Demura+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、超伝導転移温度（Tc）が10.6 Kである新しい層状超伝導体、LaO1-xFxBiS2の発見を報告している。この材料は、高Tcペロブスカイト型酸化物超伝導体および鉄系超伝導体と同様にBiS2層を有しており、LaO層におけるフルオリン置換によるキャリアドーピングによって超伝導性が発現する。これは、有望な電子的性質を示す新しいBiS2基盤超伝導体のクラスを示している。

ABSTRACT

Layered superconductors have provided some interesting fields in condensed matter physics owing to the low dimensionality of their electronic states. For example, the high-Tc (high transition temperature) cuprates and the Fe-based superconductors possess a layered crystal structure composed of a stacking of spacer (blocking) layers and conduction (superconducting) layers, CuO2 planes or Fe-Anion layers. The spacer layers provide carriers to the conduction layers and induce exotic superconductivity. Recently, we have reported superconductivity in the novel BiS2-based layered compound Bi4O4S3. It was found that superconductivity of Bi4O4S3 originates from the BiS2 layers. The crystal structure is composed of a stacking of BiS2 superconducting layers and the spacer layers, which resembles those of high-Tc cuprate and the Fe-based superconductors. Here we report a discovery of a new type of BiS2-based layered superconductor LaO1-xFxBiS2, with a Tc as high as 10.6 K.

研究の動機と目的

• 高Tcペロブスカイト型酸化物超伝導体および鉄系超伝導体と類似した層状構造を有する新しい超伝導体材料の探索。
• 新規化合物におけるBiS2層が主たる超伝導単位として果たす役割の調査。
• LaO層におけるフルオリンドーピングがBiS2基盤系において超伝導性を誘発できるかどうかの特定。
• 新規超伝導体LaO1-xFxBiS2の結晶構造および電子的性質の確立。

提案手法

• 制御された条件下での固体反応を用いた単結晶LaO1-xFxBiS2の合成。
• X線および中性子回折を用いた構造的特徴付けにより、交互に配置されたBiS2層およびLaO/F層からなる層状結晶構造の確認。
• 電気抵抗率および磁化率の測定により、超伝導転移温度（Tc）の特定。
• LaO1-xFxBiS2系におけるフルオリン置換（x）による電子構造およびキャリアドーピング効果の分析。
• 事前に報告されたBi4O4S3と比較することで、超伝導性におけるBiS2層の役割の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レアアース酸化物層におけるフルオリンドーピングによって、BiS2基盤層状系に超伝導性を誘発できるか？
• RQ2 LaO1-xFxBiS2系で達成可能な最大の超伝導転移温度（Tc）は何か？
• RQ3 LaO1-xFxBiS2の結晶構造は、高Tcペロブスカイト型酸化物超伝導体および鉄系超伝導体とどのように比較できるか？
• RQ4 この新規材料における超伝導性の起源は何か—具体的には、他の層状超伝導体と同様にBiS2層に局在化しているのか？
• RQ5 フルオリンドーピングによって制御されるキャリア濃度が、超伝導特性にどのように影響するか？

主な発見

• LaO1-xFxBiS2の超伝導転移温度（Tc）は10.6 Kに達し、BiS2基盤超伝導体ファミリーにおいて顕著なTcを示している。
• 構造的および輸送測定により、超伝導性がBiS2層に起因することが確認された。
• 結晶構造は、交互に配置されたLaO/F層とBiS2層から構成されており、高Tcペロブスカイト型酸化物超伝導体および鉄系超伝導体の層状構造に類似している。
• LaO層におけるフルオリンドーピングにより、BiS2伝導層に効果的にキャリアが導入され、超伝導性が実現された。
• ゼロ抵抗および磁化率測定におけるマイスナー効果の観察により、体積的超伝導性が示された。
• 本発見により、LaO1-xFxBiS2は、超伝導メカニズムのさらなる探求が期待される新しいBiS2基盤超伝導体ファミリーの一員として確立された。