首都大ら,層状超伝導体結晶で特異な異方性を発見

首都大学東京と東北大学は,ビスマスカルコゲナイド系(BiCh2系)層状超伝導体の単結晶を用い,強磁場中での超伝導特性評価を行なった結果,結晶構造の回転対称性を破った特異な異方性を示すことを発見した(ニュースリリース)。

層状物質は,2次元的な層状(シート状)の結晶構造を持つ超伝導体であり,超伝導状態が発現する層(伝導層)と絶縁体の層(ブロック層)の積層構造から構成される。よって,異なる種類の層を積層させることで,さまざまな新超伝導体をデザインすることが可能。また,電子が2次元的な伝導層に閉じ込められるため,特異な超伝導特性が期待できる。

ビスマスカルコゲナイド系(BiCh2 系)層状超伝導体の典型物質であるLa(O,F)BiCh2は,伝導層であるBiCh2層とブロック層であるLa(O,F)層が交互積層しており,銅酸化物系や鉄系高温超伝導体と非常によく似ている。そのため,高温超伝導や非従来型機構の発現が期待されている。

今回,研究グループは,BiCh2系超伝導体の中で最も良質な超伝導試料が得られる LaO0.5F0.5BiSSe(ChサイトをSとSeが半分ずつ占有)の単結晶試料を用いて観測を行なった。金属材料研究所,強磁場センターの超伝導マグネットおよび2軸ローテータプローブを利用し,単結晶を2軸で回転させながら強磁場中電気抵抗率測定を行ない,超伝導特性の異方性を測定した。

その結果,単結晶構造解析および低温での粉末X線回折の結果から,LaO0.5F0.5BiSSeは正方晶構造を持つことが確認された。正方晶構造では伝導層内のBiCh面(超伝導状態が発現するシート)が4回回転対称性を持つ。よって,超伝導特性も4回回転対称の異方性を示すことが予想される。しかし,磁場をBiCh面内で回転させたところ,強磁場中電気抵抗率は,2回回転対称性を示した。

この測定から,超伝導状態での上部臨界磁場の面内異方性が議論できるため,上部臨界磁場は結晶の回転対称性を破り,2回回転対称を示していると考えられる。最近,超伝導状態に関する類似の現象が鉄系超伝導体やトポロジカル超伝導体 CuxBi2Se3などで観測されている。その起源はネマティック超伝導状態にあると提案されており,新しい非従来型超伝導状態として注目を集めているという。

研究グループは,今回観測したBiCh2系超伝導における結晶回転対称性の破れは,ネマティック超伝導に新しい系統を加える可能性があり,高温超伝導現象の解明や新超伝導体設計を加速することが期待できるとしている。

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