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  研究課題の紹介
FeSe系超伝導体の機構解明と新物質探索

氏名
高野 義彦 役職 グループリーダー
所属 (独)物質・材料研究機構
研究室URL http://www.nims.go.jp/NFM/
※所属・役職名は研究参加期間終了時点のものとなります。

研究実施の概要(終了報告書より抜粋)

1)実施概要

研究のねらい
 鉄系超伝導体の出現は、銅酸化物以外の材料でも高温超伝導が可能であることを証明する素晴らしい発見である。しかし、この鉄系超伝導体が、銅酸化物超伝導体を越える高温超伝導体へ進化するためには、超伝導の発現メカニズムを理解し、現在のTc=55Kを上回る高い超伝導転移温度を実現することが不可欠であるといえよう。そこで我々は、この鉄系超伝導体の中で最も結晶構造がシンプルなFeSe系に注目し、NMR測定、角度分解光電子分光、メスバウアー効果、圧力下結晶構造解析や超伝導特性評価などにより、超伝導と磁性、超伝導と構造相転移の関係を検討することによって、超伝導発現メカニズムやより高い超伝導を実現するための指針を得ることが、本研究のねらいである。さらに、鉄系超伝導体の基礎特性は、酸化物に比べむしろ金属的であり、線材等への加工性が優れている可能性が高い。FeSe系超伝導体は、比較的高いTcと非常に高い上部臨界磁場Hc2を示すことから、応用上優れた物質であることを示唆している。我々は、FeSe系の特性を詳しく解明し、さらに優れた関連新物質を見いだし、本物質系が超伝導線材材料等として応用され、地球のエネルギー問題等を解決していく一端を担うことも本研究の更なるねらいである。

研究全体概要
 鉄系超伝導体の中で最もシンプルな結晶構造を持つFeSe系超伝導体に着目し、その低温での構造相転移や磁気転移にかかわる超伝導特性や電子構造の変化を測定し、さらに、圧力下における振る舞いを詳しく観測することにより、鉄系超伝導の発現メカニズムの解明に挑戦するものである。具体的には、単結晶試料を含めたより良質な試料の合成、新物質の探索、圧力下における電気抵抗測定、磁化測定、結晶構造解析などを行い、超伝導の基礎特性を評価した。また、電子状態を理解するために、多結晶および単結晶試料を用いた光電子分光を放射光を用いて測定した。さらに、圧力下のNMR測定、メスバウアー測定や中性子解析により、磁性と超伝導の関係に新たな知見を得た。

 我々のグループでは、FeSeに4-6GPaの圧力を加えることにより、超伝導転移温度が約10Kから37Kへ急上昇することをいち早く明らかにした。最初の圧力効果の論文は、短い期間に200回以上も引用され、アニオン高さの関係を見いだす良い契機となった。このような劇的なTcの変化は大変珍しく、背景に磁性と超伝導、構造相転移と超伝導の相関があるものと考えている。放射光による低温構造解析により60K付近に構造相転移が存在することが明らかになったが、この構造相転移と超伝導は強い相関があるものと思われる。磁性と超伝導の相関は、圧力下NMR、圧力下中性子回折、メスバウアー効果などにより検討した。特に興味深い点は、圧力下のNMR測定から、圧力の増加に伴い、反強磁性相関が強まり超伝導転移温度も上昇することが明らかになった。また、電子状態は、光電子分光やX線吸収発光スペクトル等で検討し、電子相関が強い系であることが、理論計算によるフィッティングで明らかになった。最後に、新物質として毒物指定された元素を含まない唯一の鉄系超伝導体としてFeTeS系を発見した。大変不思議なことに、この材料の超伝導発現には酒中でアニールすることが効果的であることも明らかになった。



2)顕著な成果

1)超伝導発現と結晶構造の相関、様々なアニール効果を発見

概要:良質なFeSe系超伝導試料の合成に成功し、鉄系超伝導体の線材として世界で初めて通電Jcの測定に成功した。FeSeの高い圧力効果を発見し、鉄系超伝導体のTcがアニオン高さに相関することを見出した。さらに、新超伝導体FeTeSを発見し、酸素や水、酒が超伝導発現の鍵となることを発見した。

2) FeSeにおける反磁性ゆらぎと超伝導転移温度の相関を解明

概要:NMR測定によりFeSe超伝導体が非BCS超伝導であることを明らかにし、加圧による反強磁性相関と超伝導転移温度の相関を見いだした。一方, Tc=32KのK0.8Fe2Se2のSe-NMRから磁気揺らぎよりも高い状態密度が重要であることを明らかにした。

3)鉄系超伝導体における電子相関の重要性を示唆

概要:鉄系超伝導体で最も単純な構造を持つFeSe系に対して、光電子分光を用いてバルク電子構造の直接観測を行い、電子相関効果を取り入れた理論計算から予想される構造と良い一致を示すことがわかった。この結果は、鉄系超伝導体における電子相関効果の重要性を示唆する。


  



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