有 機 伝 導 体 -(BETS) 2 FeCl 4 における 磁 場 誘 起 超 伝 導 の 面 垂 直 磁 場 効 果Effect of perpendicular field on field-induced superconductivity in organic conductor -(BETS) 2 FeCl 4物 質 ・ 材 料 研 究 機 構A 、 筑 波 大 数 理 物 質B C、 日 大 理A,B宇 治 進 也 、 木 俣 基A 、 薩 川 秀 隆A 、 原 田 淳 之A 、 寺 嶋 太 一A 、 周 彪C 、 小 林 速 男C C、 小 林 昭 子Shinya UJI A,B , Motoi KIMATA A , Hidetaka SATSUKAWA A , Atsushi HARADA A ,Taichi TERASHIMA A ,B. Zhow C , H. Kobayashi C , and A. Kobayashi CA National Institute for Materials ScienceB Graduate School of Pure and Applied Science, University of TsukubaC Nihon UniversityAbstract:In order to investigate the effect of the perpendicular magnetic field on the field-induced superconductivity of-(BETS) 2 FeCl 4 , we have measured magnetic torque in a wide field range up to 27 T, using a resistive magnet. Wedetermined the upper critical field perpendicular to the layers (H c2perp ) as a function of the external magnetic field. The fielddependence of H c2perp changes at around 25 T, which suggests that there exists the phase boundary between theFulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov and homogeneous superconducting phases at 25 T.Keywords: Organic conductor, FFLO sate, Superconducting transitionE-mail: uji.shinya@nims.go.jp1. はじめに2 次 元 有 機 伝 導 体 -(BETS) 2 FeCl 4 は、BETS(ビスエチレンジチオテトラセレナフルバレン) 分 子 が 結 晶 のac 面 に 配 列 しており、 伝 導 面 を 形 成 している。この 系で、 磁 場 を 伝 導 面 (ac 面 )に 平 行 にかけると 10T で 絶縁 相 から 金 属 相 (M)に 転 移 した 後 、 約 15T から 42T の磁 場 範 囲 で 超 伝 導 (S)を 示 す。[1,2] FeCl 4 は 一 価 の 負 イオンであり、BETS 分 子 面 の 間 に 入 り 込 んだ 構 造 となっている。Fe イオンは 三 価 の 負 イオンでスピン S=5/2の 大 きな 磁 気 モーメントをもつことになる。この 3d電 子 の 磁 気 モーメントが、 交 換 相 互 作 用 を 通 して、BETS 分 子 面 の 伝 導 電 子 に 大 きな 内 部 磁 場 をつくる。この 内 部 磁 場 が、この 系 で 発 現 する 磁 場 誘 起 超 伝 導 の原 因 となっている。この 磁 場 誘 起 超 伝 導 体 は、クリーンリミットにあり、軌 道 効 果 が 強 く 抑 制 されている。そのため、この S 相において、 超 伝 導 秩 序 変 数 が 空 間 的 に 変 調 した 構 造 を持 つ 超 伝 導 、Fulde-Ferrell-Larkin- Ovchinnikov (FFLO)状 態 が 実 現 している 可 能 性 が 指 摘 されてきた( 図 1)。[3]本 来 、FFLO 状 態 は 軌 道 効 果 が 強 く 抑 制 されていないと 出 現 しない。そのため、 磁 場 方 位 を 伝 導 面 から 垂 直方 向 に 傾 けると、 軌 道 効 果 が 顕 著 に 働 くため、FFLO状 態 は 急 激 に 抑 制 されるはずである。この 点 を 調 べるため、 低 温 強 磁 場 領 域 で 磁 気 トルク 測 定 を 行 った。Fig. 1 Schematic phase diagram of -(BETS) 2 FeCl 4 nfor H//c. S: Superconducting phase, FFLO:Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phase2. 実 験 方 法磁 気 トルク 測 定 は 自 己 検 知 型 マイクロキャンティレバーを 用 いて 行 った( 図 2)。 試 料 はヘリウム4クライオスタットにヘリウム3ジャケットを 挿 入 し、0.6K までの 低 温 まで 測 定 した。また、 試 料 を 磁 場 中 で 回 転 し、磁 場 方 位 依 存 性 を 精 密 に 測 定 した。 水 冷 銅 マグネットを 利 用 し,27Tまでの 磁 場 を 印 加 した。Fig. 2 Photograph of a single crystal and microcantilever.3. 実 験 結 果 と 考 察図 3 には、1.0Kで 測 定 された 磁 気 トルクカーブを 示した。 磁 場 方 位 角 度 が 181.5 度 で、 磁 場 がc 軸 に 平 行になる。この 角 度 前 後 で 大 きな 磁 気 トルクが 観 測 できるが、これが 磁 場 誘 起 超 伝 導 転 移 に 依 るものである。- 3 -
Fig. 5 Upper critical field perpendicular to the layers as afunction of the external field.Fig. 3 Magnetic torque curves at various fields.181.5 度 前 後 で、 磁 気 トルクの 絶 対 値 が 大 きく 異 なるが、これはキャンティレバーの 感 度 が 非 線 形 であることによる。 低 角 度 側 を 拡 大 すると、 図 4になる。図 5 で 赤 、 青 はそれぞれ 低 角 度 、 高 角 度 側 から 決 定 された 伝 導 面 に 垂 直 方 向 の 臨 界 磁 場 である。 約 25T 付 近で、 臨 界 磁 場 の 外 場 依 存 性 が 変 わる 様 子 が 見 られる。これは、25T 付 近 で 超 伝 導 の 特 性 ( 垂 直 磁 場 に 対 する超 伝 導 の 不 安 定 性 )が 変 化 することを 意 味 しており、FFLO 状 態 への 転 移 磁 場 が 約 25Tであることを 示 唆 するものである。4. まとめ磁 場 誘 起 超 伝 導 体 -(BETS) 2 FeCl 4 の 磁 気 トルクを 幅広 い 磁 場 領 域 で 精 密 に 測 定 し、 伝 導 面 に 垂 直 方 向 の 臨界 磁 場 の 外 部 磁 場 依 存 性 を 決 定 した。この 結 果 から、均 一 な 超 伝 導 相 と FFLO 相 の 相 境 界 が 25T 付 近 にあることを 確 かめた。参 考 文 献[1] S. Uji, et al. Nature 410, 908-910 (2001)[2] L. Balicas, et al. Phys. Rev. Lett. 87, 067002 (2001)[3] S. Uji, et al. Phys. Rev. Lett., 97, 157001 (2006)Fig. 4 Magnetic torque curves in lower angle region.図 4 で、 磁 気 トルクがほぼバックグラウンドに 漸 近 する 角 度 が、 伝 導 面 に 垂 直 方 向 の 臨 界 磁 場 を 与 える。その 臨 界 磁 場 の 外 部 磁 場 依 存 性 を 図 5 に 示 す。- 4 -