Research Abstract


Two-dome structure in electron-doped iron arsenide superconductors

2012年7月10日 Nature Communications 3 : 943 doi: 10.1038/ncomms1913


LaFeAsO1-xFxは鉄ヒ素系超伝導体のプロトタイプ物質で、ホールポケットと電子ポケットからなる二次元フェルミ面(FS)を特徴とし、x = 0において構造相転移と反強磁性転移が生じる。O-2をF-で置換して電子をドープすると、このような転移が抑制され、超伝導が生じる。この超伝導体の最も高いTcx = 0.1において26 Kである。しかし、x = 0.2より上ではF-が固溶しにくくなるため、オーバードープ領域はこれまで実現できていなかった。今回、我々は、水素マイナスイオンを用いてLaFeAsOにドープし、この問題を克服しLaFeAsO1-xHxx <0.53)の完全な電子相図を得ることができた。さらに、LaFeAsO1-xFxに見られる従来の超伝導ドームに加えて、0.21 < x < 0.53の範囲に第二のドームがあり、最も高いTcx = 0.3~0.4において36 Kになることがわかった。密度汎関数理論計算によって、鉄の3つの3dバンド(xyyzおよびzx)はx = 0.36で縮退するが、FSのネスティングはxと共に単調に弱くなることが明らかになった。これらの結果は、高いTcが生じるのに、鉄の3dバンドの縮退が大きく関与していることを示唆している。

飯村 壮史1, 松石 聡1, 佐藤 光1, 半那 拓1, 村場 善行1, Sung Wng Kim2, Jung Eun Kim3, 高田 昌樹3,4 & 細野 秀雄1,2

  1. 東京工業大学 応用セラミックス研究所
  2. 東京工業大学 フロンティア研究機構
  3. 高輝度光科学研究センター
  4. 理化学研究所 Spring-8
Iron arsenide superconductors based on the material LaFeAsO1−xFx are characterized by a two-dimensional Fermi surface (FS) consisting of hole and electron pockets yielding structural and antiferromagnetic transitions at x=0. Electron doping by substituting O2− with F suppresses these transitions and gives rise to superconductivity with a maximum Tc of 26 K at x=0.1. However, the over-doped region cannot be accessed due to the poor solubility of F above x=0.2. Here we overcome this problem by doping LaFeAsO with hydrogen. We report the phase diagram of LaFeAsO1−xHx (x<0.53) and, in addition to the conventional superconducting dome seen in LaFeAsO1−xFx, we find a second dome in the range 0.21<x<0.53, with a maximum Tc of 36 K at x=0.3. Density functional theory calculations reveal that the three Fe 3d bands (xy, yz and zx) become degenerate at x=0.36, whereas the FS nesting is weakened monotonically with x. These results imply that the band degeneracy has an important role to induce high Tc.