Transcript 重い電子系超伝導体
ホール素子を用いた 重い電子系超伝導体CeCoIn₅の 局所磁化測定 高温超伝導体Tl₂Ba₂CuO6+δの 擬ギャップ状態について ４回生 岡崎竜二 • 重い電子系超伝導体 C / T AT m me 2 e 物質名 γ(mJ/K2mol) CeCu6 1600 CeCu2Si2 1000 UBe13 1100 UPt3 450 URu2Si2 110 CeやUなどを含む化合物 電子の有効質量m*が自由電子 質量mの100倍～1000倍 ・f電子の波動関数の重なりが 少ない ・電子間のクーロン斥力が大き い Y.Onuki et al. J.Phys.Soc.Jpn. 71 162 (2002) 重い電子系超伝導体 f電子局在モデル 電気抵抗 f電子が内殻に局在するイオン 伝導電子とf電子（c-f相互作用） による近藤効果 電気抵抗に-lnTの項が入り ある温度で極小値をとる この系の基底状態 ・・・伝導電子と局在スピンが反強磁性 的（反並行）に結合 一重項束縛状態におちこむ K.Yosida Phys.Rev. 147 223 (1966) C.Petrovic et al. J.Phys.Condens.Matter 13 L337 (2001) 重い電子系超伝導体 近藤効果におけるc-f相互作用 伝導電子と局在モーメントとの相互作用 ・イオン中に局在するf電子 近藤効果 ・結晶中を自由に移動する伝導電子 局在モーメントを１重項におち こむことで遮蔽する RKKY相互作用 f電子と伝導電子との混成 磁気秩序が発生し、局在モーメ ントが安定化する f電子の遍歴 拮抗 Landauのフェルミ液体 量子臨界点の存在 有効質量m*をもった準粒子 量子臨界点付近では非フェルミ液体的な ふるまいが観測される NFL : T FL : T ・・・自己無撞着なスピン揺らぎの理論 2 重い電子系超伝導体 重い電子系超伝導 BCS理論 1. 電子-格子相互作用 超伝導転移における 比熱のとび・・・大 2. s-wave 重い電子系（f電子） がクーパー対をなし ている 強いクーロン斥力のため、 格子を媒介したモデルで は説明できない 反強磁性的なスピン揺らぎ が原因となる 準粒子１のとび移りに対し、周りのスピン配置は反 強磁性的に変化し、準粒子２が引力を受ける C TC 4 . 5 1 . 43 BCSによる弱結合極限 （ N(0)V0 « 1 ） 重い電子系超伝導体 異方的超伝導 等方的な波動関数 の広がり UPt CeCoIn 5 3 Sr 2 RuO 4 • CeCoIn₅ Tc 2 . 3 K ~ 300 mJ/K mol 2 CeIn3層とCoIn2層が交互に 積層・・・２次元的な構造 d波超伝導体 a = 4.62 Å c = 7.56 Å CeCoIn₅ 熱伝導率の測定 比熱の測定 A.Bianchi et al. PRL 91 187004 (2003) PRL 89 137002 (2002) 熱伝導率：低温においてジャンプ 比熱：磁場の増加に伴いジャンプ（２次転移） から対称的なピークに変化 K.Izawa et al. PRL 87 057002 (2001) １次転移の可能性 CeCoIn₅ 磁化の測定 臨界磁場においてヒステリシス を伴ったジャンプ 低温高磁場領域において１次の相転移 T.Tayama et al. PRB 65 180504 (2002) • 上部臨界磁場における１次転移 磁場による超伝導破壊 ・軌道効果 量子化された磁束0が侵入 渦糸状態 H c2 0 2 2 2 H c :軌道極限 ・パウリ常磁性効果 ゼーマン効果によりスピン偏極 クーパー対（singlet）を破壊 HP H c (T ) 4 [ n (T ) s (T )] H P ( 0 ) ~ 1 . 84 Tc [T] 臨界磁場の補正 H * C 1 1 2 2 HP HC ：パウリ極限 （BCS弱結合極限） 1 2 GLパラメーターκ大・・・HPが支配的 超伝導状態がパウリ極限によって制限されるとき、低温でHc2において１次転移する 上部臨界磁場における１次転移 ab面に平行な外部磁場 比熱測定・音速測定において 上部臨界磁場で２次の転移線 が枝分かれ orb 2H c2 HP :Makiパラメータ ( H // ab ) ( H // c ) H//ab・・・よりパウリ常磁性 効果が強い T.Watanabe et al. PRB 70 020506 (2004) A.Bianchi et al. PRL 91 187004 (2003) FFLO状態の可能性 ・超伝導状態 ・パウリ常磁性状態 混合 安定化 フェルミ面の一部で超伝導破壊 残りの部分で対（k↑,-k+q↓）を組む 磁場方向にノードが出現 ( r ) 0 cos( q r ) 高温超伝導体のパンケーキ磁束に似 た状態 • 実験 ホール素子を用いて局所的な磁化を測定 V I RH B ・3He cryostat ・超伝導マグネット 0.4 K、7Tの低温高磁場での測定 sample size 1 0.25 0.05 mm M.Konczykowski提供のホール素子 3 実験結果 T = 4.3 K マグネット側のホール素子で外部磁場 測定 H//c 8000 6000 4000 T=4.3K>2.3Kにおいてホール素子に ド・ハース-ファン・アルフェン効果 2000 1 2 e cS B 0 2 4 S : Bに垂直な方向のフェルミ面の断面積極値 6 1 0H 0H (T) 180 160 140 120 100 160 140 120 100 80 80 0 ~ 0 . 036 T -1 180 RH-1200H () RH-1200H () RH () ホール係数～120mΩ/G > 35mΩ/G 1 2 3 4 5 0H (T) 6 7 0.2 0.3 0.4 0.5 -1 1/0H (T ) 0.6 0.7 実験結果 T = 0.5 K H//c 8000 μ0H~5Tでホール抵抗にプラトー 6000 量子ホール効果の出現 2000 R ne 2 25.81 1 RH () h 4000 (k ) plateau 0 -2000 -4000 n -6000 n 4? -4 0 0H (T) 4 400 RH-1200H () R plateau 6 . 8 k 0 -400 -800 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 -1 1/0H (T ) 実験結果 T=0.5K,μ0H~5T 転移線付近での プラトーの出現 期待した磁化のとび（１次転移） 観測できず 使用したホール素子・・・主に高温超伝導体測定用 接触抵抗も含めた電流端子間の抵抗・・・大 R I ~ 20 k Konczykowski ~ 1 k • 高温超伝導体の擬ギャップ状態 CuO2面をもつ２次元的な構造の超伝導体 SIS型のトンネル電流特性を示す 電流-電圧特性 状態密度 電流-電圧特性 準粒子の状態密度を表す Tc以上で状態密度の減少 擬ギャップが存在 M.Suzuki and T.Watanabe PRL 85 4787 (2000) 高温超伝導体の擬ギャップ状態 高温超伝導体における温度-ホール濃度相図 ・母物質は反強磁性を示す ・T>Tcにおいて擬ギャップをもつ ・T=T*において消える FL 相図におけるオーバードープ域でのT* のふるまいを調べる ホールをオーバードープしたサンプルの作製 • Tl₂Ba₂CuO6+δのアニール 高温超伝導体Tl2201 O2 , Ar 雰囲気でアニール することでホール濃度を調 整 実際のホール濃度は超伝 導転移温度Tcとの経験式か ら求める Y.Shimakawa et al. PRB 40 16 (1989) Tcの測定 ・c軸方向の抵抗率測定 ・サンプルの表裏のab面に金線を２本ずつepotekでつける ・４端子法測定、ガラスデュワー sample size ~ 0.5 0.35 0.1 mm 3 Tl₂Ba₂CuO6+δのアニール 測定結果 0.30 c (·cm) 0.25 (~06/03/05) Ar雰囲気でアニールした後、 epotek部分の接触を良くする ため空気雰囲気で短時間ア ニール sample 2 annealed in Ar 300°C,20hour in air 420°C,10min*6 0.20 ・端子間抵抗～20Ω annealed in Ar 300°C,12hour in air 420°C,10min*4 0.15 0.10 0.05 0.00 sample 1 50 100 150 T (K) 200 250 ・I=100μA Tl₂Ba₂CuO6+δのアニール 30x10 25 sample1 : 10K>6K (12hour) c (·cm) 測定結果 sample1,2共にArアニールにより 超伝導転移するときの温度幅減少 -3 20 15 sample 1 10 5 sample2 : 38K>26K (20hour) 0 25 元は同じサンプル 30 ・空気中での短時間のアニール 0.10 sample2で特にテールが長い 現在sample1,2を共にArアニール中 320℃,40hour c (·cm) ・epotekのつけ方 35 40 T (K) 45 50 sample 2 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 20 30 40 T (K) 50 60 Tl₂Ba₂CuO6+δのアニール 測定結果 抵抗率の温度依存性 金属的なふるまい T 70~100K付近で観測 最もTcの低いサンプルで フェルミ流体的なふるまい T いずれのサンプルも下凸→直線 →上凸を示す 低温側において直線的な温度 依存から外れ、抵抗率が増加 擬ギャップの出現 状態密度の減少によってc軸方向のト ンネル電流が減少し、抵抗が増える 2 • 磁場による擬ギャップの破壊 BSCCO 抵抗率が温度減少に伴い増加 T*において擬ギャップがひらく 磁場をかけることで擬ギャップを破壊 Hpg:擬ギャップ（pseudogap）の閉じる磁場 60Tの高磁場まで測定 T.Shibauchi et al. PRL 86 5763 (2001) 磁場による擬ギャップの破壊 Hpgを異なるホール濃度のサンプルで測定 ゼロ磁場において抵抗率が直線から外れる 温度 T* g B H pg k BT * ゼーマンスケーリングが成立 擬ギャップの形成にかかわり スピン１重項的な相関が ゼーマン効果によってとける?