[論文レビュー] Emergence of superconductivity in strongly correlated hole-dominated Fe1-xSe

S. L. Ni, Jianping Sun+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非化学 stoichiometric およびほぼ化学 stoichiometric な単結晶を調査することで、Fe1-xSe の包括的な相図を確立した。穴中心の Fe1-xSe における強い電子相関が、電子ドーピングによって超伝導性が出現することを明らかにした。超伝導性のドームは、強く相関する穴過剰な領域に現れるが、正方晶から正交晶への転移は、電子過剰領域における高い電子ドーピングレベルでのみ持続する。

ABSTRACT

Here we establish a more complete phase diagram for FeSe system, based on experimental results of nonstoichiometric Fe1-xSe single crystals that we have developed recently, as well as nearly stoichiometric FeSe single crystals. The electronic correlation is found to be strongly enhanced in hole-dominated Fe1-xSe, as compared with electron-dominated FeSe, from the magnetic susceptibility and electrical transport measurements in the normal state. A superconducting dome is found to emerge starting from the strongly correlated hole-dominated regime with electron doping, while the tetragonal-orthorhombic phase transition at ~90 K is observed only at higher electron-doping levels in the electron-dominated regime.

研究の動機と目的

• ドーピングレベルの変動に応じた Fe1-xSe の完全な相図のマッピング。
• 穴中心の Fe1-xSe における電子相関の役割を電子過剰領域と比較して調査すること。
• 強い相関状態における超伝導性が出現する条件を特定すること。
• FeSe における構造的相転移と超伝導秩序の関係を明確にすること。
• 高品質な非化学 stoichiometric およびほぼ化学 stoichiometric 単結晶を用いることで、先行研究における矛盾を解消すること。

提案手法

• 化学 stoichiometry からの制御された偏差を有する高品質な非化学 stoichiometric Fe1-xSe 単結晶の合成。
• 常温状態における電子相関を調べるための磁化率測定。
• 超伝導転移および相境界を特定するための電気的輸送測定。
• ドーピングレベルを系統的に変化させ、超伝導ドームおよび構造的転移の進化を追跡すること。
• 相関強度を評価するために、穴中心領域と電子過剰領域の結果を比較すること。
• 高分解能データを用いて、FeSe の洗練された相図を構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴中心の Fe1-xSe における電子相関は、電子過剰 FeSe と比べてどのように変化するか？
• RQ2 Fe1-xSe の強く相関する穴過剰領域において、どのドーピングレベルで超伝導性が出現するか？
• RQ3 Fe1-xSe における正方晶から正交晶への構造的相転移と超伝導秩序の関係は何か？
• RQ4 超伝導ドームは、相図の穴中心領域にまで拡張されるか？
• RQ5 非化学 stoichiometric およびほぼ化学 stoichiometric な Fe1-xSe 単結晶は、電子的および超伝導的性質においてどのように異なるか？

主な発見

• 磁化率および輸送データから、穴中心の Fe1-xSe における電子相関は、電子過剰 FeSe より顕著に強化されていることが示された。
• 電子ドーピングによって、穴中心領域に超伝導ドームが出現し、強い相関状態で超伝導性が安定化することが示された。
• 約 90 K での正方晶から正交晶への相転移は、高い電子ドーピングレベルでのみ観察され、穴過剰領域では抑制されていることが示された。
• 相図は、穴中心と電子過剰 Fe1-xSe における電子的挙動に明確な違いを示しており、超伝導性は前者においては電子ドーピング後にのみ出現することが明らかになった。
• 高品質な単結晶を用いることで、相境界の正確なマッピングが可能となり、先行研究における不一致が解消された。
• 強い相関が穴ドーピング領域で超伝導性を媒介する重要な役割を果たしているというシナリオを支持する結果が得られた。