スピン・ラダー系物質の超伝導状態の究明

自旋梯材料超导态的研究

基本信息

批准号：
12740219
负责人：
中西剛司
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

Sr_<14-x>Ca_xCu_<24>O_<41>はスピン・ラダー物質として超伝導を示す唯一の系である。この系の超伝導は発見されてすでに3年以上経過しているが、未だに超伝導状態の研究はほとんど進んでいない。その最大の理由は、この系で超伝導が発現する圧力がおよそ3GPaであり、これは通常よく使われるピストンシリンダー法による発生圧力の限界であるためである。この研究では、まず2K以下の希釈冷凍機温度領域においても、静水圧3GPa以上の圧力を発生でき、しかも常圧下での物性測定と同程度の精度での測定が可能な圧力装置の開発を行うことに世界で初めて成功した。さらに、この開発に成功した圧力装置と既存の希釈冷凍機および超伝導マグネットと組み合わせることにより、Sr_<14-x>Ca_xCu_<24>O_<41>において超伝導になる組成であるx=12の単結晶試料を用いて、圧力下での電気抵抗の測定を磁場中で行うことに成功し、その上部臨界磁場の測定を行うことに世界で初めて成功した。今回の実験により、この系の上部臨界磁場の温度依存性、異方性、およびその圧力効果を明らかにすることができた。その結果、その温度依存性は通常のBCS超伝導体の振る舞いとは異なり、下に凸の温度依存性を示すことがわかった。また、非常に異方的な超伝導状態であることがわかった。現時点で明らかとなったこの系の超伝導状態の特異な点は2つある。ひとつは、ラダー面に磁場をかけた場合の上部臨界磁場が異様に大きな値をもち、通常のBCS超伝導体に見られるパウリ限界の2倍以上の大きな値になることである。もうひとつは、ラダー面に垂直に磁場をかけた時の上部臨界磁場の温度依存性が、2次元のCuO_2面をもつ高温超伝導体の振る舞いと類似している点である。これは一方は、Cu_2O_3面というラダー格子であり、もう一方はCuO_2面という2次元面であるのでこの振る舞いがその構造によらないということを意味し、普遍的な振る舞いである可能性を示唆している。

Sr_<14-x>Ca_xCu_<24>O_<41>是唯一表现出作为自旋梯材料的超导性的体系。自从发现该系统的超导性以来已经过去三年多了，但对超导态的研究仍然进展甚微。造成这种情况的最大原因是该系统中发生超导的压力约为3 GPa，这是常用的活塞-气缸方法产生的压力的极限。在这项研究中，我们将首先开发一种压力装置，即使在2K或更低的稀释制冷机温度范围内也能产生3GPa或更高的静水压力，并且能够以与正常情况下测量的相同精度测量物理特性。这是世界上第一个成功的。此外，通过将此成功开发的压力装置与现有的稀释制冷机和超导磁体相结合，我们将能够使用单晶样品，成功测量磁场中压力下的电阻，并且是世界上第一个成功测量其上临界磁场。通过这个实验，我们能够阐明该系统中上临界磁场的温度依赖性和各向异性，以及它的压力影响。结果发现，其温度依赖性与普通BCS超导体的行为不同，并且表现出下凸的温度依赖性。还发现超导态具有高度各向异性。迄今为止，该系统的超导态有两个独特的特征。一是当磁场施加到梯形平面时，上临界磁场具有异常大的值，是普通 BCS 超导体中泡利极限的两倍以上。另一点是，当垂直于梯形平面施加磁场时，上临界磁场的温度依赖性类似于具有二维 CuO_2 平面的高温超导体的行为。这意味着一侧是称为 Cu_2O_3 表面的梯形晶格，另一侧是称为 CuO_2 表面的二维表面，因此这种行为不依赖于结构，这表明它可能是一种普遍行为。