多層型高温超伝導体
The Multilayer Cuprate Superconductor
(The Multilayered Cuprate Superconductor)

最新リスト(産総研サイトからは 離れます。)

English



解説および総説

TI系,Hg系,多層系(Cu系,頂点フッ素系)など (超伝導磁束状態の物理、門脇和男 編 、裳華房, 2017)
教科書分担執筆.

最高性能高温超伝導体の創製(科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業−CREST)プロジェクトの最終報告書(2003)
多層型高温超伝導体の材料科学の総説

多バンド超伝導の最近の話題、 日本MRSニュース、Vol.27 No.3, August 2015,3-6頁
解説記事

応用物理 79巻1号43-48頁 (2010年) 多層型高温超伝導体における分数量子渦 (田中康資)
解説記事

Implementation of Multiple Components on a Macroscopic Quantum State toward a New Quantum Phase Electronics, Y. Tanaka and A. Iyo (Preprint of "Proc. 12th Int. Conf. on Composites/Nano Engineering", Tenerife, Spain, August, 2005)
総説

多バンド超伝導の基礎研究
産総研の萌芽研究として、特例の3年間を認められて推進された、「多バンド超伝導体の基礎研究」の終了報告書 (2006年)

日本MRSニュース、Vol.19, No.3, August 2007,5-7頁
解説記事

工業材料 2007年1月号 (Vol.55 No.1) タリウム系高超電導臨界温度材料の開発
−多層型銅酸化物の魅力とその応用への取り組み−  (伊豫 彰)

解説記事

固体物理 (2006) Vol.41 No.4, 新結晶・新物質 頂点F型多層型高温超伝導体の合成と物性 (伊豫 彰)
材料開発に関する総説

応用物理学会超伝導分科会スクールテキスト,「高温超伝導体データブック」,Tl系銅酸化物(Tl-12(n-1)n、Tl-22(n-1)n) (2009年)
Tl系高温超伝導材料に関する総説

未来材料 第3巻 9月号  多層系高温超伝導体の電子構造制御 (寺田教男) (2003年)
解説記事



1998年に書かれた総説としては以下のものがあります。この時点では、多成分超伝導という考え方は、まだ導入されておらず、 低異方性に研究の焦点がおかれています。低異方性は、c軸方向への長いコヒーレンス長さを反映したもので、 ”多層化”することによって長くなることは容易に想像できます。
さらに”単バンド超伝導の科学”を適用すると、超伝導特性が向上することが予測できます。
しかし、”多層化”することによって、”多成分超伝導”という他の概念が成立し、”単バンド超伝導の科学”の適用に限界がでてきます。
c軸方向へコヒーレンス長さ一つ取っても、”バンド毎”に異なる値を設定しなければならないからです。
これをどのように考えるかということが、多層型高温超伝導体の材料科学では、大切なポイントになってきます。
組織改変により、アーカイブが閉鎖され、リンクをご紹介できずご迷惑おかけいたしております。 入手に関しては、産総研の図書館にお問い合わせいただければご対応可能と思います。または、田中康資まで、直接ご連絡いただければ幸いです。

電子技術総合研究所彙報 第62巻 12月号
低異方性Cu -1234系高温超電導材料
高圧合成法による超電導材料探索
Cu-1234単結晶の育成と物性評価


多層型高温超伝導体は典型的な多バンド超伝導体です。 多バンド超伝導体というのは、複数のフェルミ面を持つ超伝導体です。
私たちは、多層型高温超伝導体などの多バンド超伝導体で起きる多バンド型多成分超伝導に着目し研究を展開しています。

多バンド型多成分超伝導では、バンド毎に固有の位相が想定され、 通常の超伝導の位相に加えて、バンド間位相差という新しい量子位相が生まれます。
2001年、私たちは、バンド間位相差ソリトン(ソリトン=孤立波)という独創的なアイデアでこの新しい量子位相のトポロジーを初めて議論し、
ソリトンによる磁束の分数量子化も見出しました。
その後、素粒子論や宇宙論でも同様の概念が知られている事がわかり(例えば、新田宗土 物性研究・電子版 031206)、学際的な理論研究が展開されています。
バンド間位相差は、電磁不活性のため、ソリトン化すれば環境との相互作用によるデコヒーレンスがない理想の量子ビットを作れ、量子コンピューターにも応用できます。
しかし、電磁不活性であるために、この新しい量子位相の観測や制御は容易ではありません。私たちは、この困難な課題に対し、実験・理論両面から取り組んでいます。


多バンド型多成分超伝導で現れるバンド間位相差揺らぎは、超伝導の電子対にエントロピーを与えます。 エントロピーというのは、「乱雑さ」です。
超伝導電子対の持つ「乱雑さ」は、今までの超伝導の理論モデルでは、省略してきました。昭和時代や前世紀に見つかった超伝導の理解はそれでなんとか間に合ったのです。 しかし、だんだんそういうわけには行かなくなってきてしまいました。
超伝導電子対がエントロピーを持てるのか?
持ったとしたら何が起きるのか?
そもそも、それは超伝導なのか?
そんな「異常な超伝導」があってもよいのか?
そんな超伝導体の持つ「乱雑さ」は何かに使えるのではないか?
次々と根源的な問題がでてきています。
この疑問に答えることは、超伝導のみならず、
ソリトンのような構造を許す他のシステムである「素粒子論における真空」や「宇宙」にも影響を及ぼすような
新しい物理概念を獲得することに繋がると信じて研究を進めています。



位相差ソリトンについて

ソリトンは多成分超伝導の象徴的物理現象です。 量子凝縮相における量子位相欠陥と考えると分かりやすいでしょう。 従来の超伝導では、このような量子欠陥は、超伝導電流が流れてすぐに修復してしまい、存在できません。 多バンド型多成分超伝導は、このホイミの呪縛から解き放たれていることになります。


起点となる論文

Phase instability in multi-band superconductors, Y. Tanaka, J. Phys. Soc. Jpn. 70 (2001) 2844.

Soliton in Two-Band Superconductor, Y.Tanaka, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 017002.


総説

Multicomponent superconductivity based on multiband superconductors. Y. Tanaka, Supercond. Sci. & Technol.
Superconductor Science and Technology誌 特集号  Focus on Multicomponent Superconductivity  招待総説記事です。 

多バンド超伝導と多バンド型多成分超伝導の研究の歴史と2014年6月までの最新の研究動向を纏めました。多バンド型多成分超伝導は、 分数磁束量子の実験研究や、多バンド型カイラル超伝導の研究など基礎的分野において、 研究はまだ揺籃期にあります。これからこの分野の研究を始めようと考えていらっしゃる方、今は研究に馴染みが無いがこの分野に興味がある方にも、 短時間で研究概観が把握できるように工夫してあります。 勿論、この分野を専門に研究されている方にとっても有益となる情報を、整理・統合して解説いたしましたので、研究のお役に立てると思います。




私たちの関連論文

Experimental formation of a fractional vortex in a superconducting bi-layer Y. Tanaka, H. Yamamori, T. Yanagisawa, T. Nishio, S. Arisawa. Physica C online.

Emergence of an interband phase difference and its consequences in multiband superconductors. Y. Tanaka. (Review Article) Springer Series in Materials Science 261 (2017) 185-218.

Decomposition of a unit quantum and isolation of a fractional quantum by an externally injected soliton in an ultra-thin superconducting bi-layer film. Y. Tanaka, H. Yamamori, T. Yanagisawa, T. Nishio, S. Arisawa. Physica C 538 (2017) 12-19.

Voltage-less alternating current (AC) Josephson effect in two-band superconductors. Y. Tanaka, H. Yamamori, T. Yanagisawa, T. Nishio, S. Arisawa. Physica C 538 (2017) 6-11.

Current-induced massless mode of the interband phase difference in two-band superconductors. Y. Tanaka, I. Hase, T. Yanagisawa, G. Kato, T. Nishio, S. Arisawa. Physica C 516 (2015) 10-16.

Observation of quantum oscillations in a narrow channel with a hole fabricated on a film of multiband superconductors. Y. Tanaka, G. Kato, T. Nishio, S. Ariasawa. Solid State Commun. 201 (2015) 95-97.

Fluctuation-induced Nambu-Goldstone bosons in a Higgs-Josephson model. T. Yanagisawa, Y. Tanaka. N. J. Phys. 16 (2014) 123014

Superconducting frustration bit. Y. Tanaka. Physica C 505 (2014) 55-64.

Experimental observation of a possible first-order phase transition below the superconducting transition temperature in the multilayer cuprate superconductor HgBa2Ca4Cu5Oy, Y. Tanaka, A. Iyo, S. Itoh, K. Tokiwa, T. Nishio, and T. Yanagisawa. J. Phys. Soc. Jpn. 83 (2014) 074705.

Unlocking interband phase difference in multiband superconductors, Y. Tanaka, T. Yanagisawa, T. Nishio. Physica C 485 (2013) 64-70.

Fluctuation-assisted gap evolution in frustrated multiband superconductors. Y. Tanaka, T. Yanagisawa, T. Nishio. Physica C 483 (2012) 86-90.

Phase fluctuation in multiband superconductors. Y. Tanaka. Physics Procedia 27 (2012)17-20.

Vortices and chirality in multi-band superconductors. T. Yanagisawa, Y. Tanaka, I. Hase, K. Yamaji. J. Phys. Soc. Jpn. 81(2012)024712.

Domains in multiband superconductors. Y. Tanaka , T. Yanagisawa, A. Crisan, P.M. Shirage, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Nishio, A. Sundaresan and N. Terada. Physica C 471 (2011) 747-750.

Ginzburg-Landau theory of multi-band superconductivity and applications to Fe pnictides. T. Yanagisawa, Y. Tanaka, I. Hase and K. Yamaji. Physica C 471 (2011) 675-678.

Exotic Vortex Matter: Pancake Vortex Molecules and Fractional-Flux Molecules in Some Exotic and/orTwo-Component Superconductors, A. Crisan, Y. Tanaka, A. Iyo. J. Supercond. Nov. Magn. 24(2011)1-6.

Chiral state in three-gap superconductors. Y. Tanaka,T. Yanagisawa, Solid State Communications 150 (2010) 1980.

Chiral Ground State in Three-Band Superconductors, Y. Tanaka,T. Yanagisawa, J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 114706.

Absence of an Appreciable Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the Optimally Doped SmFeAsO1-y, P. M. Shirage et. al. Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 037004.

Topology of two-band superconductors, Y. Tanaka, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Watanabe, A. Crisan, A. Sundaresan, N. Terada. Physica C 470 (2010) S966.

Topological structure of the inter-band phase difference soliton in two-band superconductivity. Y. Tanaka, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Watanabe, A. Crisan, A. Sundaresan, N. Terada Physica C 470 (2010) 1010.

Disappearance of Meissner Effect and Specific Heat Jump in a Multiband Superconductor, Ba0.2K0.8Fe2As2. Y. Tanaka, P. M. Shirage, A. Iyo. J. Supercond. Nov. Magn.23 (2010) 253.

Phase diagram of a lattice of pancake vortex molecules, Y. Tanaka, A. Crisan, D. D. Shivagan, A. Iyo, P. M. Shirage, K. Tokiwa, T. Watanabe, N. Terada, Physica C 469 (2009) 1129.

Vortex molecule, fractional flux quanta, and interband phase difference soliton in multi-band superconductivity and multi-component superconductivity. Y. Tanaka, A. Crisan, D. D. Shivagan, A. Iyo, P. M. Shirage, K. Tokiwa, T. Watanabe, N. Terada. J. Phys.: Conf. Ser. 150 (2009) 052267.

Time-reversal symmetry-breaking in two-band superconductors. Y. Tanaka, P. M. Shirage, A. Iyo. Physica C 470 (2009) 2023.

Isotope Effect in Multi-Band and Multi-Channel Attractive Systems and Inverse Isotope Effect in Iron-Based Superconductors. T. Yanagisawa et. al. J. Phys. Soc. Jpn. 78 (2009) 094718.

Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2 Superconductor. P. M. Shirage et. al. Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 257003.

Vortex-molecule Dynamics in Hg-1245 Multilayer Superconductor. D. D. Shivagan, P. M. Shirage, A. Crisan, Y. Tanaka, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Watanabe, and N. Terada. Proceedings of the 53 DAE Solid State Physics Symposium, 53 (2008) 943-944. Book Title : Solid State Physics. Editors : Meenakshi Sunder, A. K. Rajarajan & G. P. Kothiyal. December 16-18, 2008. DAE-BRNS India (Department of Atomic Energy- Board of Research in Nuclear Science). ISBN : 978-81-8372-044-1.

Vortex molecule and i-soliton studies in multilayer cuprate superconductors. D. D. Shivagan, A. Crisan, P. M. Shirage, A. Sundaresan, Y. Tanaka, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Watanabe, N. Terada. J. Phys.: Conf. Ser. 97 (2009) 012212.

Ambiguity in the statistics of single-component winding vortex in a two-band superconductor. Y. Tanaka and A. Crisan, Physica B 404 (2008) 1033.

Phase diagram of a lattice of vortex molecules in multicomponent superconductors and multilayer cuprate superconductors. Y. Tanaka et. al. Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 085011.

Anomalous AC Susceptibility Response of (Cu,C)Ba2Ca2Cu3Oy: Experimental Indication of Two-Component Vortex Matter in Multi-Layered Cuprate Superconductors. A. Crisan et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) L451.

Interpretation of Abnormal AC Loss Peak Based on Vortex-Molecule Model for a Multicomponent Cuprate Superconductor. Y. Tanaka et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 134.

i-soliton, fractional flux and breakdown of time reversal symmetry in multi-band superconductor. Y. Tanaka et. al. Physica C 388 (2003) 70.


材料開発・関連研究について、まとめておきます。


材料開発



薄膜作製技術

LSAT基板上で、両面1インチのTl-1223の薄膜作製技術は確立されています. (Sundaresan_SST_2003_May)
Tcは108K以上、マイクロ波フィルター応用の目安となる表面抵抗(Rs)は 0.5 m Ohm以下 (10 GHz and 90 K)
フィルターつくりに取り組んでいます。
A simple test for high Jc and low Rs superconducting thin films, A. Sundaresan et. al., Supercond. Sci. Technol. 16 (May 2003) L23-L24.

Preparation of Tl-2212 and -1223 superconductor thin films and their microwave properties, A. Sudaresan et. al., Physica C 388 (May 2003) 473-474.

Preparation of Tl-2212 and Tl-1223 superconductor thin films and their microwave surface resistance, A. Sundaresan et. al., IEEE. Trans. Appl. Supercond. 13 (June 2003) 2913-2916.

Growth of TlBa2Ca2Cu3Oy superconducting thin film on CeO2 buffered sapphire substrate,A. Sudaresan et. al., Physica C 378-381 (October 2002) 1283-1286

Effect of surface needles on microwave surface resistance in Tl(Ba,Sr)2Ca2Cu3Oy superconductor films on a LSAT substrate, A. Sundaresan et. al., Supercond. Sci. Technol. 17 (March 2004) 350-353



Cu-1234 薄膜への取り組み

Tl-1223 は多層型高温超伝導体(多バンド超伝導体)の一つと考えることができます。
他の多層型高温超伝導体の膜も非常に魅力的です。特に、これらの膜は、Tl-1223の膜と同じように、 i-soliton(バンド間位相差ソリトン)の研究ひいてはデバイス開発のための有力なプラットフォームになると期待されています。
この膜については、いくつかの代表的な仕事があります。 (H. Adachi et. al.(1995), G. Balestrino et. al. ( (2001), (2006), (2003), (2000), (1999) ), D.P. Norton et. al.(1994), E. Koller et. al.(1996), H. Shibata et. al. (2006))
Cu-1234の薄膜作りを目指した私たちのグループ関連の仕事を以下にリストアップしました。

Characterization of electronic structure of superconducting (Cu, C)-Ba-O films by in situ photoemission spectroscopy K. Kikunaga et. al., Supercond. Sci. Technol. 20 (2007) S455-S460

Fabrication and characterization of superconducting (Cu, C)Ba2CuO4±δ thin films, S.Shipra et. al. Physica C466 (2007) 111-114.

Fabrication of (Cu, C)Ba2CuOy superconducting thin film by RF magnetron sputtering, H. Wakamatsu et. al. J. Phys. Conf. Ser. 43 (2006) 289.

Pulsed Laser Deposition Synthesis and Photoemission Study of Superconducting Ba-Cu-O Thin Films, K. Kikunaga,J. Phys. Conf. Ser. 43 (2006) 247.

Epitaxial growth of (Cu,C)Ba2Can-1 CunOx (n=1) film deposited on SrTiO3 substrate by rf sputtering N. Kikuchi et. al., Vacuum 74 (2004)585-590

Preparation of CuBa2Ca3Cu4Oy superlattice thin film by self-assembling epitaxy method, A. Sundaresan et. al., Physica C 357 (2001)1403-1406




Tc>130Kの Tl-1223の開発

Tl-1223の本来のTcは133.5K以上。
Tl-1223の従来信じられていたTc=120Kを上回った理由は、わかってきています。
この材料を使えば、Hg-1223の持つ世界記録(Tc=135K)を塗り替えられるかもしれません。
Study on enhancement of Tc (130 K) in TlBa2Ca2Cu3Oy superconductors, A. Iyo et. al.,Supercond. Sci. Technol. 14 (July 2001) 504-510

Tl valence change and Tc enhancement (>130 K) in (Cu,Tl)Ba2Ca2Cu3Oy due to nitrogen annealing, K. Tanaka et. al., Phys. Rev. B 63 (January 200) 064508.

Superconducting and magnetic characteristics in the multilayered high-Tc cuprates TlBa2Ca2Cu3O10-y with Tc>130 K probed by Cu and Tl NMR: High value for Tc, H. Kotegawa et. al., Phys. Rev. B 65 (April 2002) 184504.

Tc beyond 130 K on a high-pressure synthesized (Cu,Tl)-1223 superconductor, K. Tanaka et. al., Physica B 284-288 (July 2000) 2079-1080.

Vortex melting line and anisotropy of high-pressure-synthesized TlBa2Ca2Cu3O10-y high-temperature superconductor from third-harmonic susceptibility studies, A. Crisan et. al, Appl. Phys. Lett. 83 (July 2003) 506-508

Selective reduction for hole-doping in Cu1-xTlx-1223 (Cu1-xTlxBa2Ca2Cu3O10-y) system with Tc>132 K, H. Ihara et. al., Physica B 284-288 (July 2000) 1085-1086.

Photoemission study of chemical bond nature of (Cu,Tl)-1223 with Tc above 130 K, N. Terada et. al.,Physica B 284-288 (July 2000) 1085-1086.

Zn and Ni doping effect on anomalous suppression of Tc in an over doped region of TlBa2Ca2Cu3O9-delta, A. Iyo, J. Low. Temp. Phys.131 (May 2003) 643-646.

Transport properties of TlBa2Ca2Cu3Oy in an over-doped state, S. Mikusu et. al., Physica C 422 (2006) 91-96.

Enhancement of TC (~130K) in TlBa2Ca2Cu3Oy Synthesized under Ambient Pressure, S. Mikusu et. al., AIP Conf. Proc. 850 (2006) 499-500.

Neutron powder diffraction of the superconductor TlBa2Ca2Cu3O8+δ with different maximum TC values (TC = 120?132 K), S. Mikusu et. al., Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 085014.


バルクおよび単結晶

多層型高温超伝導体の物理は、Cu-1234の物性測定によって確立してきました。研究には主に多結晶体が用いられています。 単結晶育成にも精力的に取り組み、高圧合成による多元系の単結晶育成法の開発という先例のない研究に初めて取り組んだのは私たちです。 (Tokiwa_PhysicaC_1998).
High pressure synthesis and characterization of single crystals of CuBa2Ca3Cu4Oy superconductor, K. Tokiwa et. al. , Physica C 298 (1998) 209.

Crystal growth of Ba2Can-1CunO2n(O F)2 (n=3 and 4) multi-layered superconductors under high pressure, A. Iyo et. al., Supercond. Sci. Technol. 17 (January 2004) 143-147.

Preparation and superconductivity of (B1-xCx)(Sr1-yBay)2Ca2Cu3Oz, A. Iyo et. al, Physica C 311 (January 1999) 35-41.

High-pressure synthesis and properties of Ba2Can-1CunO2n(O,F)2 (n=2-5) superconductors, A. Iyo et. al, Physica C 366(2001) 43-50.

Apical-F cuprate superconductor (in Japanese), A. Iyo, KOTAIBUTSURI 41 (2006) 279



Cu-1234、多層型高温超伝導体の歴史

Cu-1234が私たちの「基礎物質」です。これは1993年11月24日、伊原英雄、常盤和靖らによって発見されました。
この材料の研究を通して、数々の新しい現象、概念が見つかりました。

この研究で、「高圧合成装置」が、高温超伝導体においても、「新物質開発」の強力な武器になるということが広く認識され、 「高圧マジック」と呼ばれるブーム(高圧合成による新超伝導体探索ブーム)がおきました。

最初の多層型高温超伝導体は、1988年に、伊原英雄、杉瀬 良二(宇部興産)、寺田教男、平林正之らによって報告されたTl-1234です。
この時、TcのCuO2枚数依存性が詳しく研究され、4枚系で高Tcがでやすいことが分かっていました。
後に3枚系ではなく、4枚系のCu-1234に新材料開発の焦点が絞られたのは、そのためです。
この発見が、超伝導材料グループにおける20年にわたる多層型高温超伝導体の研究の原点であり、原動力になっています。
A new high-Tc TlBa2Ca3Cu4O11 superconductor with Tc >120KH. Ihara et. al., Nature 334(1988) 510 - 511

New High-Tc Superconductor Ag1-xCuxBa2Can-1CunO2n+3-d Family with Tc>117 K, H. Ihara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 33(Jan. 1994) L300-L303

New High- Tc Superconductor Family of Cu-Based Cu1-xBa2Can-1Cu nO2 n+4-d with Tc>116 K , H. Ihara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 33(Jan. 1994) L503-L506

How to achieve the best performance superconductor based on Cu-1234, H. Ihara, Physica C 364-365 (Nov. 2001) 289-297

New high-Tc superconductor families of Ag1-xCuxBa2Can-1CunO2n+3-y and CuBa2Can-1CunO2n+4-y with Tc>116 K, H. Ihara et. al., Physica C 235-240 (Dec. 1994) 984-982


この発見に先んじて、平林正之は、ベルト型高圧合成装置を用いて、正方晶YBa2Cu3O8の開発に取り組んでいました。さらに、低異方性が期待される無限層CuO2の超伝導開発に取り組み、その過程で、高圧合成による高温超伝導体の開発技術を高めていました。 8年以上の技術開発によって、金カプセルへの仕込み材料の封じ込み方などが、ようやく確立したころ、Hg系の発見というニュースがありました。蒸気圧が高いHgを封じ込めるのに高圧合成技術が有効であることにすぐに気がついた平林は、Hg系の合成にこれを適用し、大成功を収めます。 この研究が、Cu-1234開発の底流になっています。


Cu-1234の結晶構造


Crystal structure analysis of Cu0.6Ba2Ca3Cu4O10.8 by single-crystal X-ray diffraction method , J. Akimoto et. al., Physica C 242 (1995) 360-364.

Crystal chemistry of CuBa2Can-1CunOy( N = 4, 5, 6) superconductors, J. Akimoto et. al., Physica C 279 (Jun. 1997) 181-196.

Crystal structure and superconductivity in (Cu,Hg)Ba2Ca4Cu5Oy, J. Akimoto et. al., Physica C 281 (Aug. 1997) 237-243.





物理



(多バンド型、多層型)多成分超伝導体

多層型高温超伝導体は、多成分超伝導体と考えることができます。
いくつかの超伝導成分が空間的に重畳して存在しているということです。
多バンド、または、多層構造が、成分超伝導の境界条件を与えています。
多バンド超伝導体とか、多ギャップ超伝導体という言い方もありますが、
「多バンド超伝導体」は、多成分の境界条件を言い表したもの
「多ギャップ超伝導体」は、BCSのギャップ方程式で与えられる基底状態の波動関数の形を言い表したもので、
多層型高温超伝導体の超伝導の本質を言い当てた言い方とはいきません。
そういう意味では、「多成分超伝導体」という言い方がいちばんしっくりします。
従来型の多成分超伝導体である、「三重項超伝導対の作る超伝導」と区別するために
多バンド型多成分超伝導体という言い方をすることもあります。

オーバードープ領域での高い超伝導転移温度の維持

多層型高温超伝導体では単位胞に複数のCuO2面があります。 4枚系の場合には、電荷供給層より遠い位置にある CuO2面のドーピングレベルは、ほぼ一定に保たれます。 電荷供給層から供給される過剰なホールは、電荷供給層に近いCuO2面が吸収してしまうからです。 この効果は、渡辺恒夫(東京理科大学)らのホール係数と超伝導転移温度の測定によって発見されました。 これは、結晶内の静電ポテンシャルによる効果です。 そしてこの効果のため、4枚系では、超オーバードープ状態でもTcが一定に保たれます。 Tcを一定に保つための、ドーピングレベルの細かな調整がいりませんし、超オーバードープのCuO2面は、高い不可逆磁界の実現にも寄与できますので、 オーバードープ状態での高いTcの維持は、応用上は有利な性質です。
Hall effect of superconducting copper oxide, Cu-1234, T. Watanabe & M. Ogino et. al, Physica C 258 (Feb. 1996) 384-388

Transport properties of Cu-1234 superconductors., T. Watanabe & M. Ogino et. al, Czech. J. Phys. 46 (1996) 1373-1374.

Hall effect measurement on Cu-1234 superconductors,T. Watanabe & M. Ogino et. al, Superlattices Microstruct. 21 (1997) 15-18.


選択的ドーピング

結晶学的に異なる複数種のCuO2面があるため、それぞれにドーピングレベルがことなります。 これらが、オーバードープ状態での高いTcの維持や、”二つのTc"の出現、反強磁性と超伝導の共存という現象を生み出します。 この概念は、浜田典昭(東京理科大)のバンド計算によって確立しました。
Electronic band structures of CuBa2Can-1CunO2n+2 and CuBa2Can-1CunO2n+1F (n=3-5), N. Hamada and H. Ihara, Physica C 357(2001)108-111

Electronic band structure of CuBa2Ca3Cu4O10+x (x=0, 1), N. Hamada and H. Ihara, Physica B 284(2000)1073-1074

Selective-over-doping in Cu-1234 (CuBa2Ca3Cu4O12-y) system with high Tc>116 K and low superconducting anisotropy 1.6, H. Ihara, A. Iyo, Y. Tanaka, N. Terada, K. Tokiwa, T. Watanabe, Y. Tokunaga, Y. Kitaoka and N. Hamada, Physica B 292(2000)238-240

NMR study of carrier distribution and superconductivity in multilayered high-T-c cuprates, H. Kotegawa, J. Phys. Chem. Solids 62 (Jan.-Feb. 2001) 171-175.

Carrier distribution and superconductivity in multilayer high-T-c cuprates proved by Cu-63 NMR, Y. Tokunaga et. al., J. Low. Temp. Phys. 117 (Nov. 1999) 473-477.

Tc vs n Relationship for Multilayered High-Tc Superconductors, A. Iyo, Y. Tanaka, H. Kito, Y. Kodama, P. M. Shirage, D. D. Shivagan, H. Matsuhata, K. Tokiwa, T. Watanabe, J. Phys. Soc. Jpn. 76 (2007) 094711.


二つのTc

結晶学的に異なる複数種のCuO2面はそれぞれ固有のTcを持っています。 超伝導は、このうち高いTcのほうでおきます。 しかし、固有のTcが違いすぎると、低いTcの方でも、”低いTcの名残り"が観測されます。 この”低いTcの名残り”は、NMR、比熱、Raman分光の観測にかかります。 二つのTcは、阪大 北岡グループのNMRの研究によって初めて明らかになった現象です。
Unusual magnetic and superconducting characteristics in multilayered high-T-c cuprates: Cu-63 NMR study, H. Kotegawa et. al., Phys. Rev. B 64 (Aug. 2001)064515.

Effect of carrier distribution on superconducting characteristics of the multilayered high-T-c cuprate (Cu0.6C0.4)Ba2Ca3CuO12+y: Cu-63-NMR study, Y. Tokunaga, Phys. Rev. B 61 (Apr. 2000) 9707-9710.

Specific heat study on CuxBa2Ca3Cu4Oy,Y. Tanaka et. al., J Phys. Soc. Jpn. 70 (Feb. 2001) 329-332.

Specific heat study on CuxBa2Can-1CunOy,Y. Tanaka et. al., Physica C 357 (Aug. 2001) 222-225.

The role of multiple gaps on the Raman spectrum of (CuxC1-x)Ba2Can-1CunOy,Y. Tanaka et. al., Physica C 378 (Oct. 2002)283-286.

Dynamics of multiple order parameters in the multi-band superconductor studied by Raman spectroscopy, Y. Tanaka et. al., Physica C 392 (Oct. 2003)161-165.

Anomalous vortex melting line in the two-component superconductor (Cu,C)Ba2Ca3Cu4O10+d, A. Crisan et. al, Phys. Rev. B 74 (2006) 184517.


反強磁性と超伝導の共存

Hg-1245では、超伝導になっているCuO2面と反強磁性状態が実現しているCuO2面が 一つの単位胞に共存します。 (超伝導転移温度Tcが108 Kでも、ネール温度TNが60 Kの反強磁性秩序が共存しています。) 超伝導と反強磁性は、同じCuO2面というバックボーン上で実現していますので、 従来の磁性超伝導や、ストライプタイプの共存とは区別して考えています。 また、超伝導と磁性が発現したCuO2面を隔てているのはCa層という薄い層だけですから、互いに波動関数を相手側に延ばして重なり合っていると考えるのは自然なことでしょう。 反強磁性と超伝導の共存は、1996年以前から常盤和靖によって続けられてきた材料開発の成果を元に、 同氏と、北岡グループによって、μSR、NMRという手段を使って、ほぼ同時に確認されました。
Coexistence of superconductivity and antiferromagnetism in multilayered high-Tc superconductor HgBa2Ca4Cu5Oy: Cu-NMR study, H. Kotegawa et. al., Phys. Rev. B 69 (Jan. 2004) 014501.

Magnetism of Multi-Layer HgBa2Ca4Cu5Oy Superconductor Studied by μSR Measurements, K. Tokiwa et. al., Inter. J. Mod. Phys.B 17 (Aug. 2003) 3540-3543.

High pressure synthesis and properties of HgBa2Ca4Cu5Oy (Hg-1245) superconductor, K. Tokiwa et. al.,J. Low. Temp. Phys.131 (May 2003) 637-641.

Microscopic coexistence of antiferromagnetism and superconductivity in HgBa2Ca4Cu5Oy:Cu-NMR study, H. Kotegawa et. al., Physica C 388-389 (May 2003) 237-238.

Uniform Mixing of High-Tc Superconductivity and Antiferromagnetism on a Single CuO2 Plane of a Hg-Based Five-Layered Cuprate, H. Mukuda et. al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 087001.

Coexistence of superconductivity and antiferromagnetism in HgBa2Ca4Cu5Oy: Multiharmonic susceptibility and vortex dynamics study, A. Crisan et al., Phys. Rev. B 76(2007) 212508

Magnetically coupled pancake vortex molecules in HgBa2Can?1CunOy (n>6), A. Crisan et al., Phys. Rev. B 77 (2008)144518

AC-Susceptibility study on vortex-molecule lattice in supermultilayer cuprate HgBa2Can-1CunO2n+2+δ (n = 14). D. D. Shivagan, P. M. Shirage, A. Crisan, Y. Tanaka, A. Iyo, K. Tokiwa, T. Watanabe, N. Terada. Physica C 468 (2008) 1281-1286.






その他


Synthesis and physical properties of (Cu,M)Ba2Ca3Cu4Oz (M=C,Mg,Ni,Al,Zn,Tl), T. Watanabe, J. Low. Temp. Phys. 117 (Nov. 1999) 753-757.

Pressure effects on resistive transition in (Cu,M)Ba2Ca3Cu4Oy (M=C,Al,Tl,Mg,Zn) superconductors, K. Tokiwa et. al., J. Low. Temp. Phys. 117 (Nov. 1999) 903-907.

Pressure effect on Hall coefficient in multilayered high-T-c cuprates, T. Watanabe, J. Low. Temp. Phys.131 (May 2003) 681-685.

Electron-doped superconductivity in Sr1-xCaxCuO2- infinite-layer thin films, J. C. Nie et. al., Physica C: Superconductivity, Volumes 388-389, May 2003, Pages 441-442

TlBa2Ca2Cu3Oy superconducting films on MgO with different morphologies, P. Badica et. al., Physica C: Superconductivity, Volume 383, Issue 4, 1 January 2003, Pages 482-490

Cum-1Bam(Sr,Ca)nCun+1O2m+2n+1 superlattice thin film by layer-by-layer growth techniques, J. C. Nie, Physica C: Superconductivity, Volumes 378-381, Part 2, October 2002, Pages 1278-1282

Preparation of CuBa2Ca3Cu4Oy superlattice thin film by self-assembling epitaxy method, A. Sundaresan et. al, Physica C: Superconductivity, Volumes 357-360, Part 2, August 2001, Pages 1403-1406

Growth of SrxCa1-xCuO2 film and (CaCuO2)m/(SrCuO2)n superlattice by reactive sputtering, J. C. Nie, Physica C: Superconductivity, Volumes 357-360, Part 2, August 2001, Pages 1407-1410

Mechanism of Tc enhancement in Cu1-xTlx-1234 and -1223 system with Tc > 130 K, H. Ihara, Physica C: Superconductivity, Volumes 341-348, Part 1, November 2000, Pages 487-488



(2018.2.6)

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