鉄系超伝導体
1111型フェロニクチド化合物LnFeAsOFの結晶構造。Ln =ランタノイド（La、Ce、Yb、Nd、Gd、Smなど）、Pn =プニクチド（As、P、N、Biなど）[ 1 ]

鉄系超伝導体（FeSC）は、 2006年に超伝導特性が発見された鉄含有化合物です。 [ 2 ] [ 3 ]このような超伝導化合物の最初のものは、1995年から知られているオキシニクタイドのグループに属しています。[ 4 ]しかし、2006年までは、実験と実装の初期段階にあり、[ 5 ]これらの化合物の半導体特性のみが知られ、特許を取得していました。[ 6 ] Scientific Americanは、その後の研究について次のように説明しています。

化学的にLaOFeAsとして知られるこの結晶性物質は、電子が流れる鉄とヒ素の層を、ランタンと酸素の層の間に重ね合わせた構造をしています。酸素の最大11%をフッ素に置換することで、この化合物は26ケルビンで超伝導性を示すようになり、研究チームは2008年3月19日付けのアメリカ化学会誌で報告しています。その後、他の研究グループによる研究では、LaOFeAs中のランタンをセリウム、サマリウム、ネオジム、プラセオジムなどの他の希土類元素に置換することで、 52ケルビンで動作する超伝導体が得られることが示唆されています。[ 7 ]

これまで、高温超伝導体のほとんどは銅-酸素層を含む銅酸化物でした。鉄系超伝導体への関心の多くは、銅酸化物との違いによるものであり、それが非BCS理論超伝導の理論構築につながる可能性を秘めています。[ 7 ]

オキシニクタイド群に属する鉄系超伝導体は、当初はフェロプニクタイドと呼ばれていました。これらの化合物の結晶構造は、鉄とニクトゲン（典型的にはヒ素（As）とリン（P））の導電層が電荷貯蔵ブロックによって隔てられた構造をしています。[ 8 ]また、一部の鉄カルコゲンやクリスタロゲンも超伝導を示すことが分かっています。[ 9 ] [ 10 ]

鉄系超伝導体は、その結晶構造と化学式によって、以下の主要なグループに分類されます。

超伝導は、これらの系のいくつかの親相（例えば、LaFePO、[ 2 ] LaFeSiH、[ 14 ] LiFeAs [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]）またはドーピングや圧力の印加によって得られる。[ 8 ] [ 26 ] [ 27 ]

無ドープβ -FeSeは最も単純な鉄系超伝導体ですが、独特の特性を持っています。[ 22 ]常圧下では臨界温度（Tc ）が8 K、高圧下では36.7 Kです。 [ 28 ]また、インターカレーションによっても超伝導が発現します。インターカレーションと高圧の組み合わせにより、最高48 KのTcで超伝導が再発現します（ [ 22 ] [ 29 ]およびその中の参考文献を参照）。

他のファミリーと比較して、 122 の化合物の合成は比較的容易であり、これらのシステムの調査が容易になります。

オキシプニクチドT c (K)
LaO 0.89 F 0.11 FeAs 26 [ 8 ]
LaO 0.9 F 0.2 FeAs 28.5 [ 30 ]
CeFeAsO 0.84 F 0.1641 [ 8 ]
SmFeAsO 0.9 F 0.143 [ 8 ] [ 11 ]
La 0.5 Y 0.5 FeAsO 0.643.1 [ 31 ]
ネオジム鉄ヒ素O 0.89 F 0.1152 [ 8 ]
PrFeAsO 0.89 F 0.1152 [ 12 ]
エルビウムFeAsO 1−y45 [ 32 ]
Al-32522 (CaAlOFeAs) 30（As）、16.6（P）[ 33 ]
Al-42622 (CaAlOFeAs) 28.3（As）、17.2（P）[ 34 ]
ガドリニウム鉄ヒ素O 0.8553.5 [ 35 ]
BaFe 1.8 Co 0.2 As 225.3 [ 36 ]
SmFeAsO ~0.85
非オキシプニクチド T c (K)
Ba 0.6 K 0.4 Fe 2 As 238 [ 23 ]
Ca 0.6 Na 0.4 Fe 2 As 226 [ 25 ]
CaFe 0.9 Co 0.1 AsF 22 [ 37 ]
Sr 0.5 Sm 0.5 FeAsF 56 [ 38 ]
LiFeAs 18 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
NaFeAs 9～25 [ 18 ] [ 19 ]
鉄セレン<27 [ 39 ] [ 40 ]
ラフェシリウム 11 [ 14 ]

2009 年に発見されたSr 2 ScFePO 3などの化合物は、FePSr 2 ScO 3として「42622」ファミリーと呼ばれています。[ 41 ]注目すべきは、高圧合成技術を使用した (Ca 4 Al 2 O 6−y )(Fe 2 Pn 2 ) (または Al-42622(Pn); Pn = As および P) の合成です。Al-42622(Pn) は、Pn = As および P の両方に対して超伝導を示し、転移温度はそれぞれ 28.3 K と 17.1 K です。Al-42622(Pn) の a 格子パラメータ (Pn = As および P に対してそれぞれ a = 3.713 Å および 3.692 Å) は、鉄ニクタイド超伝導体の中で最も小さいです。同様に、Al-42622(As)はAs–Fe–As結合角が最も小さく（102.1°）、AsからFe面までの距離が最も大きい（1.5Å）。[ 34 ]高圧下では、(Ca 3 Al 2 O 5−y )(Fe 2 Pn 2 )（Pn = AsおよびP）も生成され、これはペロブスカイト型「32522」構造を持つ初めての鉄系超伝導体である。転移温度（T c ）は、Pn = Asで30.2 K、Pn = Pで16.6 Kである。超伝導の発現は、これらの物質の正方晶a軸格子定数が小さいことに起因する。これらの結果から、鉄系超伝導体におけるa軸格子定数とT cの間に経験的な関係が確立された。 [ 33 ]

2009年には、ドープされていない鉄ニクタイドが電子の局在と遍歴性の競合から生じる磁気量子臨界点を持つことが示された。[ 42 ]

鉄系超伝導体の一般化された相図として122(Se)ファミリーによって補完された122ファミリーのフェロニクタイドの相図。[ 43 ]

プロパティ

超伝導銅酸化物と同様に、鉄系超伝導体の特性はドーピングによって劇的に変化します。FeSCの親化合物は通常金属（銅酸化物とは異なり）ですが、銅酸化物と同様に反強磁性的に配列しており、これはしばしばスピン密度波（SDW）と呼ばれます。一部の親化合物は超伝導を示します。[ 2 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]それ以外の場合、超伝導は正孔または電子のドーピングによって発現します。一般的に、相図は銅酸化物と類似しています。[ 43 ]

Ln-1111およびBa-122の鉄系超伝導体の簡略化したドーピング依存相図。示されている相は、ゼロドーピング付近の反強磁性／スピン密度波（AF/SDW）相と、最適ドーピング付近の超伝導相である。La [ 44 ]およびSm [ 45 ] [ 46 ]のLn-1111相図はミューオンスピン分光法を用いて決定され、Ce [ 47 ]の相図は中性子回折法を用いて決定された。Ba-122相図は[ 48 ]に基づいている。

超伝導転移温度は表に記載されている（一部は高圧下での）。BaFe1.8Co0.2As2は、測定されたコヒーレンス長2.8nmから、43テスラの上部臨界磁場を持つと予測される。 [ 36 ]

2011年、日本の科学者たちは、鉄系化合物を赤ワインなどの熱いアルコール飲料に浸すことで、金属化合物の超伝導性を高めるという発見をしました。[ 49 ] [ 50 ]以前の報告では、過剰な鉄が双共線反強磁性秩序の原因であり、超伝導には不利であると示唆されていました。さらなる調査により、弱酸は層間サイトから過剰な鉄を脱離させる能力があることが明らかになりました。したがって、弱酸アニーリングは過剰な鉄を脱離させることで反強磁性相関を抑制し、結果として超伝導が達成されます。[ 51 ] [ 52 ]

転移温度と電子バンド構造の間には経験的な相関関係があり、フェルミ面の一部がリフシッツ位相転移の近傍にあるときにTcの最大値が観測されます。[ 43 ]同様の相関関係は後に高温超伝導体のこれら2つのファミリーの超伝導メカニズムの類似性の可能性を示唆する高温Tc銅酸化物でも報告されています。[ 53 ]

薄膜

適切な基板上に成長した鉄カルコゲニド薄膜では、臨界温度はさらに上昇します。2015年には、チタン酸ストロンチウム上に成長した鉄セレン化物薄膜において、約105～111 KのT c が観測されました。[ 54 ]

参照

参考文献

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