東北大,新型鉄系超伝導体を原子層シート化

東北大学の研究グループは,新型鉄系超伝導体の硫化鉄を極限まで薄い超薄膜にする手法を開発し,超薄膜で起こる高温超伝導の謎を解明した(ニュースリリース)。

近年,層状物質を原子数個分の厚さまで薄くした超薄膜において,バルク結晶を上回る優れた性質が次々と明らかになっている。その代表例として,鉄系超伝導体の一種である「セレン化鉄(FeSe)」の超薄膜における高温超伝導の発見が注目を集めているが,薄膜化によって高温超伝導が起きる仕組みはまだ分かっていない。

今回,研究グループは,最近発見された新型の鉄系超伝導体である硫化鉄に着目した。この物質は,FeSeと同一の結晶構造および同程度のTcを持つことから,FeSeとの比較研究を行なう上で適している。

しかし,原子レベルの超薄膜を作製する際に広く用いられる分子線エピタキシー法では,硫黄が蒸発しやすいために,FeSをはじめとする硫化物の作製は困難とされてきた。

そこで研究グループは,分子線エピタキシー法にトポタクティック法という技術を組み合わせることで,高品質なFeS超薄膜の作製に初めて成功した。

さらに,角度分解光電子分光法を用いて,FeS薄膜とFeSe薄膜の電子構造を精密に測定した結果,両者とも「基板の原子振動」や「基板から薄膜への電荷移動」が存在するという共通点を持つにも拘らず,FeS超薄膜では高温超伝導が起こらないことを見出した。

以上の結果から,これまで高温超伝導の起源として有力であると考えられてきた「基板の原子振動」や「基板からの電荷移動」だけでは,高温超伝導を説明できないことが明らかになった。そこで,さらに高い精度で電子構造を調べた結果,「薄膜内の電子どうしの相互作用」が高温超伝導の発現に最も重要な役割を担っていることを見出した。

今後は,薄膜中の電子どうしの相互作用が重要という結果に基づいて物質設計を進めることで,新たな高温超伝導体の発見が期待されるという。

また,分子線エピタキシー法とトポタクティック法を融合した技術は,硫化物の薄膜作製に広く応用が可能だという。硫化物は様々な分野の先端材料として基礎から応用まで盛んに研究されており,それらの材料を超薄膜化することで,革新的な機能の開拓につながることが期待されるとしている。

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