[论文解读] 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 14

一句话总结

该论文报告发现了一种新型层状超导体LaO1-xFxBiS2，其超导转变温度（Tc）为10.6 K。该材料具有与高温超导铜氧化物和铁基超导体类似的BiS2层结构，通过在LaO层中进行氟掺杂实现载流子掺杂而产生超导性，展示了具有潜在电子特性的一类新型BiS2基超导体。

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.

研究动机与目标

• 探索具有与高温超导铜氧化物和铁基超导体相似层状结构的新超导材料。
• 研究BiS2层作为新型化合物中主要超导单元的作用。
• 确定在LaO层中进行氟掺杂是否能在BiS2基体系中诱导超导性。
• 确定新超导体LaO1-xFxBiS2的晶体结构和电子特性。

提出的方法

• 在受控条件下通过固相反应合成单晶态LaO1-xFxBiS2。
• 利用X射线衍射和中子衍射进行结构表征，确认其具有交替排列的BiS2层和LaO/F层的层状晶体结构。
• 通过测量电阻率和磁化率以确定超导转变温度（Tc）。
• 通过LaO1-xFxBiS2体系中氟掺杂（x）对电子结构和载流子掺杂效应进行分析。
• 与先前报道的Bi4O4S3进行结构和超导性质比较，以确认BiS2层在超导性中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过在稀土氧化物层中进行氟掺杂，在BiS2基层状体系中诱导出超导性？
• RQ2 LaO1-xFxBiS2体系中可实现的最高超导转变温度（Tc）是多少？
• RQ3 LaO1-xFxBiS2的晶体结构与高温超导铜氧化物和铁基超导体相比如何？
• RQ4 这种新材料中超导性的起源是什么——具体而言，是否如其他层状超导体一样，超导性局限于BiS2层？
• RQ5 通过氟掺杂控制的载流子浓度如何影响超导特性？

主要发现

• LaO1-xFxBiS2的超导转变温度（Tc）达到10.6 K，标志着在BiS2基超导体家族中具有重要意义的Tc值。
• 超导性起源于BiS2层，这一结论通过结构和输运测量得到证实。
• 晶体结构由交替排列的LaO/F层和BiS2层构成，与高温超导铜氧化物和铁基超导体的层状结构相似。
• 在LaO层中进行氟掺杂可有效向BiS2导电层引入载流子，从而实现超导性。
• 该材料表现出体超导性，表现为电阻率为零以及磁化率测量中出现的迈斯纳效应。
• 该发现确立了LaO1-xFxBiS2作为BiS2基超导体家族的新成员，具有进一步探索超导机制的潜力。