众所周知，拥有二维层状结构的化合物会显示出高温超导和热电转换等多种功能性。不仅是功能性，还可能出现由二维电子状态引起的特殊物理现象，这也是具备二维层状结构的化合物的特征，科学家们一直期待能发现拥有前所未有新特性的新型层状化合物。
此次，日本首都大学东京研究生院理学研究科的水口佳一副教授和Rajveer Jha特任研究员，与山梨大学晶体科学研究中心的长尾雅则助教等人，发现了具有由铋、银、锡、硫和硒构成传导层的新型层状超导体La2O2Bi3Ag0.6Sn0.4S5.7Se0.3（转变温度Tc=3开尔文）。
此次发现的超导体的晶体结构与水口副教授等人2012年发现的BiS2系层状超导体类似，不过是拥有多层传导层的新型层状超导体。由于在拥有多层传导层的La2O2Bi3Ag0.6Sn0.4S5.7Se0.3中也观测到了超导现象，因此与作为超导体和热电转换材料研究的BiS2系层状化合物一样，有望以本研究为出发点，开发出新型超导体和新型热电转换材料等多种层状功能性材料。
水口副教授等人的研究小组2017年合成了名为La2O2Bi3AgS6的新型层状化合物，2018年在低温（Tc=0.5开尔文）下观测到了超导转变现象。La2O2Bi3AgS6拥有4个（Bi,Ag）-S面，如果将图中的BiS2系层状化合物LaOBiS2视为双层型，则La2O2Bi3AgS6就是可以称为4层型的新型层状超导体（图1）。
图1：双层型（BiS2系）层状化合物的晶体结构与4层型层状超导体La2O2Bi3AgS6的晶体结构的比较。
不过，当时转变温度比较低，只有0.5开尔文，可以测量的物理量有限，因此未能讨论超导转变的细节。此次，研究小组验证了旨在使La2O2Bi3AgS6系的转变温度（=Tc）升高的元素置换效果。验证发现，通过用Sn部分置换La2O2Bi3AgS6的Ag位点，Tc能超过2开尔文（特性测量范围扩大的温度范围，图2）。
图2：表示La2O2Bi3AgS6中的Sn置换效果的超导相图
同时还观测到了一个非常有趣的现象，随着超导转变温度升高，根据电阻的温度依赖性，发现的异常转移到了低温侧。目前还没有查清该现象的原因，可能是因为随着进行Sn置换，La2O2Bi3AgS6系的电子状态和局部晶体结构发生了变化，导致超导转变温度升高。另外还发现，如图3所示，根据磁化率的温度依赖性估算的超导体积分数只有20％，样品尚未完全转变成（块体）超导体。
图3：磁化率（x=0.4）的温度依赖性（在带场冷却（FC）和零场冷却（ZFC）两种模式下测量）
在双层型BiS2系超导体中，研究小组利用离子半径不同的元素进行了元素置换，通过施加化学压力，提高了超导特性。因此，针对通过进行Sn置换，Tc达到最大的x=0.4的组成，研究小组试着用Se部分置换了S位点。Se与S一样，也是二价态，但由于具备较大的离子半径，可以有效施加化学压力。用Se置换5％的S后，在约3开尔文以下的温度下观测到了图4所示的块体超导转变。
图4：La2O2Bi3Ag0.6Sn0.4S5.7Se0.3的磁化率的超导转变。在磁化率测量中，作为块体超导观测到了足够大的信号（在带场冷却（FC）和零场冷却（ZFC）两种模式下测量）。
此次的研究结果首次发现4层型铋系层状化合物具备块体超导性。以此为契机，有望加速具备4层传导层的铋系层状化合物的功能性材料开发。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
