【スタッフ】

准教授 水口佳一： 新超伝導体，新物質探索，異常熱膨張，熱伝導評価
助教 山下愛智： 超伝導薄膜，熱電材料，電気化学

層状物質研究の面白さ
BiCh2系超伝導体(2012)＆熱電材料(2014)を発見！
BiS2伝導層(M = Bi, Pb)◆ BiS2伝導層と様々なブロック層を持つ新物質が開発されています.
◇ (b, c, e)と類似の新物質を卒研で発見！
◇ 2018-19年度以降，(e)の新超伝導体をいくつも発見！JPSJ, Sci. Rep.等

研究テーマ設定について学生の興味・性格を考慮した柔軟なテーマ設定

物性物理学を軸に，テーマに合わせた研究領域の拡張

研究テーマ例①「高圧合成や高圧測定による新超伝導体探索」①② 「特異なの熱膨張を示す物質の探索と機構解明」②「BiS2系超伝導体の機構解明」②③ 「電子状態や非調和性の制御に基づいた新規熱電材料の探索」③「超伝導体を用いた新しい熱スイッチ現象の学理構築」

研究テーマ紹介：物質探索
高圧合成による新超伝導体合成

常圧構造
半導体

高圧構造
超伝導体

InTeにPbを置換した物質を合成し，新物質の超伝導相図を解明．
高圧合成を使ったときのみNaCl型になり超伝導が発現する．
[勝野君の卒論→Condensed Matter 2020]

研究テーマ紹介：超伝導機構解明

LaO1-xFxBiSSe単結晶を育成し，強磁場中での超伝導状態を評価
・面内磁気抵抗異方性を測定した結果，結晶構造が有する4回回転対称性を破る2回回転対称的な超伝導特性を観測．（ネマティック超伝導の可能性！？）・異常に大きなBc2を観測．（局所的な空間反転対称性の破れが原因？）[星君の大学院研究→JPSJ 2019; Sci. Rep. 2022]

研究環境・研究体制
電気炉大量

物質合成

アーク炉
PLD製膜
電気化学合成物質合成スペース×5 + グローブボックス×3

物性評価

高圧合成装置加圧焼結装置

一連の物質合成・物性評価が行なえます！

◆ 結晶構造・電子状態（X線回折，放射光，中性子，X線吸収）．
◆ 電気抵抗，磁化，熱電能，ホール係数，比熱，熱伝導率，組成．
◇ 以上の測定を多重極限で測定しています．
温度： 低温（1.5 K）から高温（800℃以下）の測定．
高圧： ピストンシリンダー高圧セル（3 GPaまで）を用いた高圧測定．
強磁場： 7 Tまでの磁場中測定やパルス強磁場施設を共同研究．
◇ 最新型PPMS導入予定！

CoZr2が異常格子熱膨張を示すことを発見

一般的な物質の格子定数は正の熱膨張(PTE)を示すが，c軸のみ負の熱膨張(NTE)が発現！
中性子◆ 超伝導体であるCoZr2および関連する遷移金属ジルコナイドが異常な格子熱膨張を示すことを見出した．
Mizuguchi et al., JPSJ 2022
◇ a軸の正の熱膨張とc軸の負の熱膨張を制御できれば，ゼロ熱膨張超伝導体を開発できる？

高エントロピー型の層状超伝導体を開発

高エントロピー合金は，一つの元素サイトを５種以上の元素がランダムに占有する合金で，近年構造材料などの分野で研究が活性化しています．
私たちは，層状化合物の特定の層のみを高エントロピー合金化することに成功し，それによる超伝導特性向上を観測しました．（R. Sogabe et al., APEX 2018）
今後，高エントロピー合金効果の解明と多様な機能性材料への応用を考えています！

ハイエントロピー型化合物超伝導体の圧力効果
Robust-Tc◆ HEA型(Ag,In,Sn,Pb,Bi)Te超伝導体の高圧相が，圧力印加によってTcが変化しない領域を持つことを見出した（Robust-Tc領域）．Kasem et al., Sci. Rep. 2022.
◇ 合金ベースのHEA超伝導体も類似の振る舞いを示しており，HEA化で導入される局所乱れが特異な超伝導状態を生じさせている可能性がある．

SnPn系（Pn: As, P）層状超伝導体の発見

 (m cm)

0.6
0.40.2

NaSn2As2Na

NaSn2P20.00123 4
T (K)56SnAsまたはSnP◆ 新しい層状超伝導体NaSn2As2を発見．Y. Goto et al., JPSJ 2017.
◆ AsをPに変えたNaSn2P2もより高いTcの超伝導体に！ Y. Goto et al., Sci. Rep. 2018.
◇ 今後，SnAs系関連の熱電材料やトポロジカル物質も視野に研究を展開！

新超伝導体Sn0.8Ag0.2Teの高圧合成高圧合成により層分離の抑制に成功！
HP相が超伝導を示した．

SnTeはトポロジカル結晶絶縁体として注目されており，Sn0.8Ag0.2Teはトポロジカル超伝導体候補物質の一つです．
JPSJ 2016.

BiCh2系層状超伝導体の発見

BiCh2系層状超伝導体機構解明に向けて
REO0.5F0.5BiS2

放射光Ｘ線回折実験（SPring-8：BL02B2）
により精密構造解析に成功．
面内化学圧力上昇にともないTcが上昇
Sci. Rep (2015).
することを発見．

BiCh2系層状超伝導体機構解明に向けて
BiCh2系超伝導体の同位体効果
BiCh2系超伝導体はその超伝導発現機構が解明されておらず，理論研究および分光研究から非従来型超伝導機構を示唆する結果が示されていました．
LaO0.6F0.4BiSSe多結晶の精密合成に成功し，同位体効果を検証．Se同位体の変化に対して転移温度Tcはほぼ影響を受けないことがわかりました．すなわち，本系では電子ー格子相互作用以外の要素が超伝導機構に重要であることが実験的に示されました．
[K. Hoshi, Y. Goto, YM, PRB 2018]
超伝導が発現するには，電子が電子対を形成し，凝縮しなくてはいけません．従来型機構では電子―格子相互作用によって電子対形成されます．
よって，超伝導体を構成する元素の同位体効果は以下の式に従います．

Tc ∝ M -0.5 （BCS理論）

BiCh2系層状化合物の機能性開拓

FeSeの巨大な圧力効果の発見
2008年に発見されたFeSe超伝導体に着目し，高圧下での物性評価を行ったところ，常圧下で 13 K だった超伝導転移温度（Tc）が高圧下で大きく上昇することを発見しました．
ピストンシリンダーセルを用いた測定では，1.48 GPaで Tc = 27 K に達し，インデンターセ
ルを用いた測定で Tc = 37 K まで上昇することがわかりました．この成果はFeSeが鉄系高温超伝導体の仲間であることを世界中が認識するきっかけの一つとなりました．
さらに，高圧下での構造解析から，Tc と Se height が強く相関することを解明し，鉄系超伝導の機構解明に向けた重要な情報となりました．
Appl. Phys. Lett. 2008.
Supercond. Sci. Technol. 2010.

(a)FeSeの結晶構造図． (b)FeSeの高圧下での電気抵抗率の温度依存性．
(c)FeSeの超伝導転移温度とSe heightの圧力依存性．

新超伝導体Fe1+dTe1-xSxの発見
Fe1+dTeはFeSe超伝導体と類似の結晶構造を持つが，超伝導を示さず反強磁性秩序を示します．磁気秩序を抑制するため，Teと同じ価数（-2）をとり，イオン半径が小さい硫黄（S）でTeサイトを部分置換しました．S置換量の増加とともに反強磁性秩序が抑制され，超伝導が発現しました．（Fe1+dTe1-xSxの発見）
Fe1+dTe1-xSx超伝導体は層間に存在し磁性を持つ過剰鉄の影響で，バルクな超伝導発現が困難でした．しかし，合成した試料を酸素中でアニールすることで過剰鉄の影響が打ち消され，完全な超伝導状態を得ることに成功しました．
Appl. Phys. Lett. 2009.
Phys. Rev. B. 2010; EPL 2010; J. Appl. Phys. 2011.

(a)Fe1+dTeの結晶構造図．層間に数％の過剰鉄が存在する．(b)Fe1+dTe1-xSxの電気抵抗率の温度依存性． (c) Fe1+dTe0.8S0.2の電気抵抗率の温度依存性（酸素アニール効果）．