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新しいタイプの超電導体を発見 超電導担う軽い電子と磁気整列する重い電子が交互に積層

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公開日:2011.02.02

要約

要点

  • 鉄系超電導と同じ結晶構造を探索し「CeNi0.8Bi2」発見
  • 重い電子系と軽い電子系が交互に積み重なった構造
  • 反強磁性と超電導が共存する特異な物質

概要

東京工業大学フロンティア研究機構・応用セラミックス研究所の細野秀雄教授と溝口拓特任准教授は、フェルミ面を構成する重い電子系(用語3)と軽い電子系が、交互に層状に積み重なった構造を持つ新タイプの超電導体「CeNi0.8Bi2」(Ce:セリウム、Ni:ニッケル、Bi:ビスマス)を発見した。この物質が反強磁性(用語4)と超電導(用語1)が共存するユニークな性質をもつことも分かった。

研究の内容,背景,意義,今後の展開等

概要

東京工業大学フロンティア研究機構・応用セラミックス研究所の細野秀雄教授と溝口拓特任准教授は、フェルミ面を構成する重い電子系(用語3)と軽い電子系が、交互に層状に積み重なった構造を持つ新タイプの超電導体「CeNi0.8Bi2」(Ce:セリウム、Ni:ニッケル、Bi:ビスマス)を発見した。この物質が反強磁性(用語4)と超電導(用語1)が共存するユニークな性質をもつことも分かった。
現在、世界的に精力的な研究が進められている鉄系超電導体と同じ結晶構造だが、構造中に1価のBi陰イオンからなる電導性平面正方格子が担う軽い電子系と、Ce、Ni、Bi(3価の陰イオン)により構成されるブロック層が担う重い電子系とからなる極めて特異な物質だ。現状での超電導臨界温度(Tc)は4K(絶対温度、0Kは零下273.15度C)と低いものの、今後、こうした物質を新たな超電導体探索のプラットフォームに置くことにより、さらにTcの高い優れた超電導体を見いだしていくことが期待される。
この成果は2月2日に「Physical Review Letters」オンライン電子版で公開される。この研究は政府の最先端研究開発支援(FIRST)プログラム「新超電導および関連機能物質の探索と産業用超電導線材の応用」(中心研究者:細野教授)によって実施され、物質・材料研究機構の室町英治理事らのグループと東工大応用セラミックス研究所の川路均准教授との共同で行った。

背景

2008年に東工大の細野秀雄教授のグループが発見したLaFeAsO:F系超電導体(La:ランタン、Fe:鉄、As:ヒ素、O:酸素、F:フッ素)は超電導臨界温度26Kを示し、新しい
タイプの超電導体として、世界中の超電導研究者に注目された。すでに2500を超える関連論文が報告され、鉄系超電導という新大陸が築かれている。
鉄は典型的な磁性元素であり、それまでの常識では最も超電導になじみにくい元素であることから、鉄系超電導体は驚きを持って迎えられた。最も注目されることの多い超電導臨界温度は同年に中国のグループが報告したSmFeAsO:F系(Sm:サマリウム)の55Kで、これは現在までの鉄系超電導体の最高温度となっている。
鉄系もそれ以前に一大フィーバーを巻き起こした銅酸化物系も、高温超電導体では結晶構造において特徴的な共通点を持っている。それは超電導が生じる層と電気が流れにくい層とが交互に積み重なっていることだ。鉄系ではFeとAsからなる層が超電導を担っている。

研究の経緯

細野教授らの研究グループは、このような高温超電導を発現するLnFeAsO(Ln:希土類元素=用語2)結晶構造(結晶構造名はZrCuSiAs型と呼ばれる)を出発点に、より優れた超電導体を探索する過程で、LnFeAsOと同じ結晶構造を持つCeNixBi2に注目した。
この物質は構造中に1価のBi陰イオンで構成される平面正方格子という特異な構造単位を持っている(電子構造の見地から電導層を構成できる)こと、およびCeという重い電子系を作り出すカギとなるイオンとNiBi層内のキャリアとの相互作用により、さらに興味深い物性が発現するのではないかと期待した。

研究成果

物質を構成する元素の金属をそれぞれ出発原料として、真空中で加熱することにより目的物質を合成した。作製した物質について、電気抵抗、帯磁率(用語5)、比熱(用語6)を2~300Kの範囲で測定した。母物質となるCeNiBi2では超電導は観測されず、Ni欠損を導入した(Niの配合比率を減らした)CeNi0.8Bi2において、4.2K以下で超電導を観測することができた。
また比熱測定では5K以下で反強磁性となることが観測され、反強磁性と超電導が共存するという点からも特異な物質であるといえる。詳細な検討の結果、反強磁性転移はCeが関連した重い電子系(軽い系の400倍)が担うものであり、超電導はBi平面正方格子から生じる軽い電子系が担うものであることが分かった。その結果、この物質はフェルミ面を構成する重い電子系と軽い電子とが一層ごとに交互に存在する、新しいタイプの超電導体であることが確かめられた。

今後の展開

今回の研究によって発見されたCeNi0.8Bi2は、重い電子系と軽い電子系の共存、超電導と反強磁性の共存という2つの面から興味深い物質といえる。鉄系超電導の基の物質と同じ構造をとる化合物は数百種類も知られており、今回の物質もその一種と見做すことができます。このような金属の正方ネットをもつ物質を新たな超電導体探索のプラットフォームに置くことにより、さらにTcの高い優れた超電導体を見いだしていくことが期待される。

用語説明

  1. 1)
    超電導
    超電導とはある温度以下で電気抵抗がゼロになり、かつ完全反磁性を示す現象をいい、常電導状態から超電導に移り変わる温度のことを臨界温度又は超電導転移温度(Tc)とよびます。超電導が初めて見いだされた物質はTc=4.15 K(-269°C)の水銀で、オランダのカマリン・オンネスが1911年に発見しました。単一の原子からなる金属では、Pb(鉛)、Nb(ニオブ)などがそれぞれ7 K、9 K以下で超電導体となります。超電導の特長を利用して、超電導マグネット、リニアモーターカー、電力輸送、電力貯蔵など様々な分野への応用が期待されています。28K以上のTcを持つ超電導体を高温超伝導と呼び、これが最初に発見されたのが、1986年のべドノルツとミュラーによる銅酸化物系超電導体です。
  2. 2)
    希土類元素
    ランタノイド類(周期律表において、57番目のLaから71番目のLuまで)やイットリウム(Y)スカンジウム(Sc)を希土類金属と呼びます。ランタノイド類は外殻にf 電子と呼ばれる電子を持っており、原子によってその個数が異なります。少量でも劇的な特性変化を生じさせる元素として知られ、供給が中国に集中していることから、産業界で大きな資源問題となっています。
  3. 3)
    重い電子、軽い電子
    金属中において、電気伝導を担っているのは伝導電子です。重い電子とは、磁石の材料などに用いられている希土類や、アクチノイドを含んだ化合物において、金属的な電気伝導を示すにもかかわらず、伝導電子の質量が、自由電子の質量の数百倍~千倍も「重く」なっているかのように観測される電子を意味します。そうでないものを軽い電子と呼びます。
  4. 4)
    反強磁性
    各イオンや原子はゼロでない電子のスピンをもっているが、隣り合うスピンがそれぞれ反対方向を向いて整列し、全体としては磁気モーメントを持たない物質の磁性を指します。代表的な物質としては、酸化マンガン(MnO)や酸化ニッケル(NiO)などが挙げられます。
  5. 5)
    帯磁率
    磁化率とも言います。磁化Mと磁場Hとの関係M=χHを表わすχのことです。磁化しやすさと言い換えることができます。常磁性体では10-3-10-6程度の正の値、反磁性体では10-6程度の負の値となります。超電導体は完全反磁性の物質であるため、負の大きな帯磁率が観測されます。
  6. 6)
    比熱
    比熱容量とも言います。圧力または体積一定の条件で、単位質量の物質を単位温度上げるのに必要な熱量のことを意味します。単位はJ kg-1K-1もしくはJ g-1K-1が用いられています。 水の比熱容量(18℃)は、1 cal g-1K-1 = 4.184×103 J kg-1K-1)となります。超電導体や磁性体で比熱-温度の関係を測定すると、転移点で比熱にピークが現れます。
  1. 論文名
    Coexistence of Light and Heavy Carriers Associated with Superconductivity and Antiferromagnetism in CeNixBi2 with a Bi Square Net
  2. 掲載誌名
    Physical Review Letters
  3. 著者
    溝口拓、松石聡、平野正浩、橘信、室町英治、川路均、細野秀雄

図.(a) LaFeAsO及び、(b) CeNixBi2の結晶構造。いずれもZrCuSiAs型に属す。前者においては、ブロック層により挟まれたFeAs層内の、伝導電子により超伝導が発現する。後者は、CeNixBi(1)3-Bi(2)1-と表記することが可能で、2種の価数のBi陰イオンを含んでおり、Ce3+イオンは、ク-ロン力により、より負な価数状態であるBi(1)3-イオンに引き付けられている。その結果、Bi(2)1-の正方格子とCeNixBi(1)の2層の交互積層から成っている。Bi(2)1-正方格子層は、正孔を有しており、軽い電子系として超電導を担う。CeNixBi(1)層は、Ce3+の4f電子との相互作用を通して、低温で電導電子の有効質量の増大(重い電子系)を示し、5Kで4f電子の反強磁性的配列を示す。

本件に関するお問い合せ先
細野 秀雄
フロンティア研究機構 教授
電話: 045-924-5359   FAX: 045-924-5196
E-mail: hosono@msl.titech.ac.jp

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