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 2 m   me  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・イオン中に局在するf電子・結晶中を自由に移動する伝導電子 f電子と伝導電子との混成 f電子の遍歴伝導電子と局在モーメントとの相互作用近藤効果局在モーメントを１重項におちこむことで遮蔽する RKKY相互作用磁気秩序が発生し、局在モーメントが安定化する拮抗 Landauのフェルミ液体有効質量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 2 ・・・自己無撞着なスピン揺らぎの理論量子臨界点の存在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  4.5  1.43 TC 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 UPt3 CeCoIn5 Sr 2 RuO 4 • CeCoIn₅ Tc  2.3 K  ~ 300mJ/K2mol 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 0  2H c 2 2 ・パウリ常磁性効果 Hc2  :軌道極限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) ~ 1.84Tc [T ] 臨界磁場の補正  1 1   H   2  2   HC H P  * C  1 2 ：パウリ極限（BCS弱結合極限） 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 2 H corb 2  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  RH  B I ・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 0.05mm3 M.Konczykowski提供のホール素子実験結果 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     B  cS 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   ~ 0.036T -1   0 H  0H (T) 180 180 RH-1200H () RH-1200H () RH () ホール係数～120mΩ/G > 35mΩ/G 160 140 120 100 140 120 100 80 80 0 160 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 Rplateau  6.8 k RH () h 1  25.81  (k ) 2 ne n plateau 0 -2000 -4000 -6000 n  4? -4 0 0H (T) 4 400 RH-1200H () R 4000 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 RI  ~ 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 0.1mm3 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 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  T2 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 • 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  kBT * 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?