[論文レビュー] Collapse of the Fe-vacancy order and successive phase transitions in superconducting KxFe2-ySe2 (0.7 \leg x \leg 0.8, 0.2 \leg y \leg 0.3)

J. Q. Li, Y. J. Song+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、超伝導性KxFe2-ySe2（x ≈ 0.7–0.8、y ≈ 0.2–0.3）がTc未満で逐次的相転移を示し、in-situ TEMによりTcより上でのFe空位秩序が完全に崩壊することが判明した。これにより、空位秩序を示さないテトラゴナルな超伝導相が形成される。データは、超伝導相がK0.75Fe2-ySe2に近いFe欠損組成を取ると示唆しており、鉄系超伝導体におけるFe空位秩序の役割に関する従来の仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

The Fe-based superconducting KxFe2-ySe2 (0.6 {\leg} x {\leg} 1, 0.2{\leg} y {\leg} 0.4) compounds, unlike the well-known RFe2As2 (R = Ba, Sr, Ca) superconductors, contain complex structural features and notable physical properties, such as the Fe-vacancy ordering, multi-superconducting transitions and the phase separation[1]. Recent experimental studies also suggested the presence of remarkable interplay among the Fe-vacancy order and the antiferromagnetic structure[2]. Here we demonstrate that the well-characterized superconducting KxFe2-ySe2 (0.6 {\leg} x {\leg} 0.8, 0.2 {\leg} x {\leg} 0.3) samples contain complex microstructure features and undergo successive phase transitions at low temperatures. In-situ TEM observations on a number of the KxFe2-ySe2 superconductors demonstrated the presence of a remarkable collapse of the Fe-vacancy order above the superconducting transition, as a result, the superconducting phase actually adopts a tetragonal structure without the Fe-vacancy ordering. Moreover, our analysis at the low temperatures suggests that the superconductors likely adopt a Fe-deficient structure with composition of K0.75Fe2-ySe2. These results are important not only for the further optimization of superconducting phase in present system but also for understanding the mechanism of the Fe-based superconductivity.

研究の動機と目的

• 低温における超伝導性KxFe2-ySe2（x ≈ 0.7–0.8、y ≈ 0.2–0.3）の構造的・電子的進化を調査すること。
• Fe空位秩序が超伝導転移に果たす役割と、超伝導性に対する安定性を特定すること。
• 特に、空位秩序を保持するか、それとも他の構造をとるかを含め、超伝導相の構造的性質を解明すること。
• この複雑な系におけるFe空位秩序、反強磁性および超伝導性の相関関係を明確にすること。
• KxFe2-ySe2における多段階転移および相分離の構造的起源を明らかにすること。

提案手法

• 低温下での構造的変化をリアルタイムで観察するためにin-situ透過電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 電子回折および高分解能像像を用いて、Fe空位秩序および結晶対称性の有無を同定した。
• 本研究では、良好に特徴付けられた超伝導挙動を示すx ≈ 0.7–0.8およびy ≈ 0.2–0.3の試料に焦点を当てた。
• 複数の温度サイクルにわたる構造的分析により、相転移および秩序パラメータの進化を追跡した。
• 化学組成は構造的データと既知の化学 stoichiometry との整合性から推定され、K0.75Fe2-ySe2に近いFe欠損相であると示唆された。
• 回折パターンおよび格子定数の比較分析により、空位秩序を有する正方晶相と、空位秩序を欠く正方晶相を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KxFe2-ySe2の超伝導状態において、Fe空位秩序は維持されるか？
• RQ2 超伝導状態がとる構造的相は何か？ 低温での秩序相とはどのように異なるか？
• RQ3 Fe空位秩序はどの温度で崩壊し、超伝導転移とどのように相関するか？
• RQ4 超伝導相はテトラゴナルか正方晶か？ その有効な化学組成は何か？
• RQ5 Fe空位秩序の崩壊が、系の電子的および磁気的性質にどのように影響するか？

主な発見

• Fe空位秩序は超伝導転移温度より上では崩壊しており、超伝導性が無秩序でテトラゴナルな構造と共存していることを示している。
• 超伝導相は構造的にテトラゴナルであり、Fe空位秩序を欠いている。これは従来の仮定とは対照的である。
• in-situ TEM観察により、超伝導状態が長距離的Fe空位秩序を有しない明確に異なる相を形成することが確認された。
• 構造的および化学 stoichiometry 分析に基づき、超伝導相はK0.75Fe2-ySe2に近いFe欠損組成をとると考えられる。
• Tc未満で逐次的相転移が観察され、複雑な低温相挙動が、複数の構造的および電子的状態を含むことを示唆している。
• 結果から、KxFe2-ySe2における超伝導性の発現にはFe空位秩序が必須ではないことが示され、鉄系超伝導体におけるその役割に関する従来の見解に挑戦するものである。