O grupo de diboretos isoestruturais ao MgB2 com estrutura representada pelo protótipo AlB2 é considerado candidato à supercondutividade. Contudo, a existência do estado supercondutor é um fenômeno raro nesse grupo de materiais, de fato a grande maioria dos diboretos de metais de transição é caracterizada por um Tc menor que 0,7 K. Nesse grupo, os compostos normais HfB2, VB2, YB2 e ZrB2 exibem assinatura do comportamento paramagnético de Pauli em baixas temperaturas. Nesse trabalho é mostrado que a substituição parcial do metal (Hf e Zr) por V nas amostras M1-xVxB2, gera distorções da rede cristalina, com o surgimento de um estado supercondutor volumétrico. As medidas magnéticas, elétricas e térmicas revelam um Tc máximo atingindo 8,7 e 9,3 K para as respectivas amostras de composição Zr0,96V0,04B2 e Hf0,97V0,03B2, com valores elevados de ? 0Hc2(0) (~16 e ~21 T, respectivamente). Nessas amostras, os resultados a cerca do comportamento do ? 0Hc1 (T), do Cp(T) e da VHall (T), e medidas de ETS (electronic tunneling spectroscopy) em um monocristal, revelam a claras assinaturas da supercondutividade multibanda, tal como é reportado para o MgB2. Ainda, resultados mostram a que a existência do estado supercondutor no ZrB2 parece não ser uma exclusividade da substituição por V, já que é observada também na amostra de Zr0,96Y0,04B2, cujo Tc atinge 6,7 K novamente com assinatura de comportamento multibanda. Também são mostrados os resultados da existência dos comportamentos magnéticos competitivos nas amostras do sistema Zr1-xAlxB2, com um surpreendente ordenamento ferromagnético. Nesse mesmo cenário, também é mostrado que substituição de Nb por Ni é hábil em elevar a temperatura crítica do composto NbB2-? de 3,6 K para 6,0 K. Já em outros boretos, como nos sistemas Th1-xMxB12 (M = Zr, Sc, Y, Ti Hf) em condições especiais de síntese e substituição a fase ThB12 (inexistente no equilíbrio) pode ser estabilizada, onde se observa para amostra Th0,97Zr0,03B12 um Tc próximo a 5,5 K e comportamento supercondutor BCS, porém com um baixo valor do parâmetro k o que abre discussão para uma classe nova de supercondutores do tipo 1,5. / The diborides group isostructural to MgB2 represented by AlB2 prototype structure are considered important candidates for superconductivity. However, the existence of the superconducting state is a rare phenomenon in this group of materials, indeed the majority of transition metal diborides are characterized by a Tc lower than 0.7 K. In this group, the normal compounds HfB2, VB2, YB2, and ZrB2 exhibit signature Pauli paramagnetic behavior at low temperatures. In this work it is shown that the metal partial substitution (Hf and Zr) by V in M1-xVxB2 samples generates distortions of the crystal lattice, with the emergence of a bulk superconducting state. The magnetic, electric and thermal measurements reveal a maximum Tc reaching 8.7 and 9.3 K for the respective samples Zr0.96V0.04B2 and Hf0.97V0.03B2 composition with high values of ? 0Hc2(0) (~ 16 and ~ 21 T, respectively). In these samples, the results about the behavior ? 0Hc1 (T), Cp(T), and VHall (T); and ETS (electronic tunneling spectroscopy) measurements in a single crystal; reveal a clear signatures of multiband superconductivity such as reported to the MgB2. Furthermore, the results show that the existence of the superconducting state ZrB2 appears to be not exclusive by V substitution, it is also observed in the sample Zr0.96Y0.04B2 whose Tc reaches 6.7 K again with signature multiband behavior. Also shown are the results of the existence of competitive magnetic behavior in samples of Zr1-xAlxB2 system, with a surprising ferromagnetic ordering. In this same scenario, it is also shown that substitution of Nb by Ni is able to raise the critical temperature of the NbB2-? compound from 3.6 K to 6.0 K. Since other borides as in Th1- xMxB12 (M = Zr, Sc, Y, Ti Hf) systems, in special conditions of synthesis and substitution the ThB12 phase (non-existent in the equilibrium conditions) can be stabilized, which is observed to Th0.97Zr0.03B12 sample with Tc close to 5.5 K and BCS superconducting behavior, but with a low of the k parameter value opening discussion for a new class of 1.5 type superconductors.

O grupo de diboretos isoestruturais ao MgB2 com estrutura representada pelo protótipo AlB2 é considerado candidato à supercondutividade. Contudo, a existência do estado supercondutor é um fenômeno raro nesse grupo de materiais, de fato a grande maioria dos diboretos de metais de transição é caracterizada por um Tc menor que 0,7 K. Nesse grupo, os compostos normais HfB2, VB2, YB2 e ZrB2 exibem assinatura do comportamento paramagnético de Pauli em baixas temperaturas. Nesse trabalho é mostrado que a substituição parcial do metal (Hf e Zr) por V nas amostras M1-xVxB2, gera distorções da rede cristalina, com o surgimento de um estado supercondutor volumétrico. As medidas magnéticas, elétricas e térmicas revelam um Tc máximo atingindo 8,7 e 9,3 K para as respectivas amostras de composição Zr0,96V0,04B2 e Hf0,97V0,03B2, com valores elevados de ? 0Hc2(0) (~16 e ~21 T, respectivamente). Nessas amostras, os resultados a cerca do comportamento do ? 0Hc1 (T), do Cp(T) e da VHall (T), e medidas de ETS (electronic tunneling spectroscopy) em um monocristal, revelam a claras assinaturas da supercondutividade multibanda, tal como é reportado para o MgB2. Ainda, resultados mostram a que a existência do estado supercondutor no ZrB2 parece não ser uma exclusividade da substituição por V, já que é observada também na amostra de Zr0,96Y0,04B2, cujo Tc atinge 6,7 K novamente com assinatura de comportamento multibanda. Também são mostrados os resultados da existência dos comportamentos magnéticos competitivos nas amostras do sistema Zr1-xAlxB2, com um surpreendente ordenamento ferromagnético. Nesse mesmo cenário, também é mostrado que substituição de Nb por Ni é hábil em elevar a temperatura crítica do composto NbB2-? de 3,6 K para 6,0 K. Já em outros boretos, como nos sistemas Th1-xMxB12 (M = Zr, Sc, Y, Ti Hf) em condições especiais de síntese e substituição a fase ThB12 (inexistente no equilíbrio) pode ser estabilizada, onde se observa para amostra Th0,97Zr0,03B12 um Tc próximo a 5,5 K e comportamento supercondutor BCS, porém com um baixo valor do parâmetro k o que abre discussão para uma classe nova de supercondutores do tipo 1,5. / The diborides group isostructural to MgB2 represented by AlB2 prototype structure are considered important candidates for superconductivity. However, the existence of the superconducting state is a rare phenomenon in this group of materials, indeed the majority of transition metal diborides are characterized by a Tc lower than 0.7 K. In this group, the normal compounds HfB2, VB2, YB2, and ZrB2 exhibit signature Pauli paramagnetic behavior at low temperatures. In this work it is shown that the metal partial substitution (Hf and Zr) by V in M1-xVxB2 samples generates distortions of the crystal lattice, with the emergence of a bulk superconducting state. The magnetic, electric and thermal measurements reveal a maximum Tc reaching 8.7 and 9.3 K for the respective samples Zr0.96V0.04B2 and Hf0.97V0.03B2 composition with high values of ? 0Hc2(0) (~ 16 and ~ 21 T, respectively). In these samples, the results about the behavior ? 0Hc1 (T), Cp(T), and VHall (T); and ETS (electronic tunneling spectroscopy) measurements in a single crystal; reveal a clear signatures of multiband superconductivity such as reported to the MgB2. Furthermore, the results show that the existence of the superconducting state ZrB2 appears to be not exclusive by V substitution, it is also observed in the sample Zr0.96Y0.04B2 whose Tc reaches 6.7 K again with signature multiband behavior. Also shown are the results of the existence of competitive magnetic behavior in samples of Zr1-xAlxB2 system, with a surprising ferromagnetic ordering. In this same scenario, it is also shown that substitution of Nb by Ni is able to raise the critical temperature of the NbB2-? compound from 3.6 K to 6.0 K. Since other borides as in Th1- xMxB12 (M = Zr, Sc, Y, Ti Hf) systems, in special conditions of synthesis and substitution the ThB12 phase (non-existent in the equilibrium conditions) can be stabilized, which is observed to Th0.97Zr0.03B12 sample with Tc close to 5.5 K and BCS superconducting behavior, but with a low of the k parameter value opening discussion for a new class of 1.5 type superconductors.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23688号 / 理博第4778号 / 新制||理||1684(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 柳瀬 陽一, 教授 川上 則雄, 教授 松田 祐司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Emergent electronic phenomena in iron-based superconductors have been at the forefront of condensed matter physics for more than a decade. Much has been learned about the origins and intertwined roles of ordered phases, including nematicity, magnetism, and superconductivity, in this fascinating class of materials. In recent years, focus has been centered on the peculiar and highly unusual properties of FeSe and its close cousins. This family of materials has attracted considerable attention due to the discovery of unexpected superconducting gap structures, a wide range of superconducting critical temperatures, and evidence for nontrivial band topology, including associated spin-helical surface states and vortex-induced Majorana bound states. Here, we review superconductivity in iron chalcogenide superconductors, including bulk FeSe, doped bulk FeSe, FeTe1−xSex, intercalated FeSe materials, and monolayer FeSe and FeTe1−xSex on SrTiO3. We focus on the superconducting properties, including a survey of the relevant experimental studies, and a discussion of the different proposed theoretical pairing scenarios. In the last part of the paper, we review the growing recent evidence for nontrivial topological effects in FeSe-related materials, focusing again on interesting implications for superconductivity.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.