新型鉄系超伝導体の硫化鉄を超薄膜にする手法を開発――高温超伝導メカニズムの解明に前進 東北大

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硫化鉄薄膜の作製手順

東北大学大学院理学研究科と東北大学材料科学高等研究所は2019年11月14日、原子数個分の厚さの薄膜化によって高温超伝導が起きる「セレン化鉄(FeSe)」と似た超伝導特性を持つ「硫化鉄(FeS)」を、同様の超薄膜に成形する手法を開発したと発表した。また、超薄膜化したFeSeとFeSの超伝導特性が全く異なることを発見し、両者の電子構造を分析・比較することで、高温超伝導の実現に必要な条件の絞り込みにも成功したという。

通常、絶対零度(-273℃)に近い極低温でしか超伝導は起こらない。しかしFeSeは、原子レベルまで薄くすることで、超伝導になる温度(Tc)が上昇し、産業応用の目安となる液体窒素温度(-196℃)に迫る。このような現象を高温超伝導というが、発生する仕組みはまだ分かっていない。

その仕組みを明らかにするには、比較研究が必要となる。そこで研究グループは、FeSeと同一の結晶構造や同程度のTcを持つFeSに着目した。

しかし、FeSを超薄膜に形成する技術はまだ十分には確立されていない。原子レベルの超薄膜を作製する際に広く用いられる分子線エピタキシー法(超高真空中で薄膜の原料を加熱して原子ビームを生成し、その原子を1個ずつ基板に積み重ねて薄膜を成長させる手法)では、硫黄が蒸発するため、FeSをはじめとする硫化物の作製は困難だ。

そこで研究グループは、分子線エピタキシー法にトポタクティック法(結晶の基本骨格を保ったまま、構成元素の一部を挿入または置換する手法)を組み合わせることにより、FeS超薄膜の作製に成功した。

同研究グループはさらに、角度分解光電子分光法を用いて、FeS薄膜とFeSe薄膜の電子構造を測定した。その結果、両者とも「基板の原子振動」や「基板から薄膜への電荷移動」が存在するという共通点を持つにもかかわらず、FeS超薄膜では高温超伝導が起こらないことを発見した。次いで、より高い精度で電子構造を調べた結果、「薄膜内の電子同士の相互作用」が高温超伝導の発現に最も重要な役割を担うことを見出したという。

今後は、薄膜中の電子同士の相互作用が重要という結果に基づいて物質設計を進めることで、新たな高温超伝導体の発見が期待される。また、硫化物は様々な分野の先端材料として盛んに研究されていることから、分子線エピタキシー法とトポタクティック法を融合した技術でそれらを超薄膜化することで、革新的な機能の開拓につながることが期待されるという。

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