[論文レビュー] Superconductivity in undoped T' cuprates with Tc over 30 K

Osamu Matsumoto, Aya Utsuki+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、金属有機分解（MOD）法を用いた薄膜プロセスにより、ドーピングされていないT'-相RE2CuO4カップレート（RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd）において超伝導を報告している。最高の転移温度（Tc）は30 Kを超えており、成功の鍵は低酸素分圧での焼成と低温還元処理にあり、これにより従来は反強磁性絶縁体と見なされていた材料、特にGd2CuO4（Tcの上昇が約20 Kに達する）においても超伝導が実現された。

ABSTRACT

Undoped cuprates have long been considered to be antiferromagnetic insulators. In this article, however, we report that superconductivity is achieved in undoped T'-RE2CuO4 (RE = Pr, Nd, Sm, Eu, and Gd). Our discovery was performed by using metal-organic decomposition (MOD), an inexpensive and easy-to-implement thin-film process. The keys to prepare the superconducting films are firing with low partial-pressure of oxygen and reduction at low temperatures. The highest Tc of undoped T'-RE2CuO4 is over 30 K, substantially higher than "electron-doped" analogs. Remarkably, Gd2CuO4, even the derivatives of which have not shown superconductivity so far, gets superconducting with Tconset as high as ~ 20 K. The implication of our discovery is briefly discussed.

研究の動機と目的

• ドーピングされていないT'-相RE2CuO4カップレートにおける超伝導挙動の調査。これらは従来、反強磁性絶縁体と見なされてきた。
• ドーピングされていないカップレートは超伝導を示さないという長年の仮定を覆す。
• 超伝導を達成するための低コストでスケーラブルな薄膜作製法として、金属有機分解（MOD）を用いる。
• ドーピングされていない系において超伝導を可能にする処理条件の特定。
• 従来非超伝導であったGd2CuO4が、高Tc超伝導体としての可能性を有するかどうかの検討。

提案手法

• 金属有機分解（MOD）を用いて、ドーピングされていないT'-RE2CuO4（RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd）の薄膜を調製する。
• 薄膜焼成中に酸素分圧を制御し、非化学 stoichiometric で酸素欠損の相を達成する。
• 化学的置換なしに電子ドーピングを誘発するため、低温還元処理を施す。
• 抵抗率および磁気測定を用いて、イン・スィットおよびエクス・スィットの特性評価により超伝導転移を確認する。
• 処理パラメータ（温度、酸素圧、時間）を系統的に変化させ、超伝導転移温度（Tc）の最適化を図る。
• 異なる希土類元素を比較し、REカチオンのサイズおよび電子構造に伴うTc依存性の傾向を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された非化学 stoichiometric 条件下で、ドーピングされていないT'-相RE2CuO4カップレートが超伝導を示すことができるか？
• RQ2 特に酸素分圧および還元温度といった、ドーピングされていない系に超伝導を誘発するための特定の処理条件は何か？
• RQ3 従来の研究では超伝導を示さなかったGd2CuO4が、本研究ではなぜ超伝導を示すようになったのか？
• RQ4 ドーピングされていないT'-カップレートのTcは、電子ドーピング系と比較してどの程度か？
• RQ5 MODプロセスは、高Tc超伝導薄膜のスケーラブルで低コストな製造をどの程度可能にするか？

主な発見

• 金属有機分解（MOD）プロセスを用いることで、ドーピングされていないT'-RE2CuO4（RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd）において超伝導が実現され、最高のTcは30 Kを超えた。
• Pr2CuO4における超伝導転移温度（Tc）の上昇は30 Kを超え、電子ドーピング系と比較して顕著に高い。
• Gd2CuO4は従来、非超伝導であったが、最適化された処理条件下でTc上昇が約20 Kに達した。
• 低酸素分圧での焼成と低温還元処理が、ドーピングされていない系において超伝導相を安定化させる上で不可欠である。
• この発見により、ドーピングされていないカップレートは常に反強磁性絶縁体であるという従来の見解が覆された。
• MODプロセスにより、化学的ドーピングなしに再現性があり低コストな超伝導薄膜の製造が可能になった。