[論文レビュー] Enhanced superconductivity accompanying a Lifshitz transition in electron-doped FeSe monolayer

Xun Shi, P. Richard+9 more|RePEc: Research Papers in Economics|Jun 5, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3上に成長したFeSe単層膜におけるin-situカリウム蒸着による電子ドーピングが、第一ブリュアンゾーン中心に電子パケットが出現する第二のリーフシッツ遷移を誘発することを示しており、これが超伝導転移温度（Tc）を15 K上昇させ、50 Kを超えるまでに達する。結果は、特にdxy軌道に起因する軌道依存的対称性のペアリングが、この系における超伝導性の強化に鍵を握っていることを示唆している。

ABSTRACT

The origin of enhanced superconductivity over 50 K in the recently discovered FeSe monolayer films grown on SrTiO$_{3}$ (STO), as compared to 8 K in bulk FeSe, is intensely debated. As with the ferrochalcogenides A$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$ and potassium doped FeSe, which also have a relatively high superconducting critical temperature ($T_c$), the Fermi surface (FS) of the FeSe/STO monolayer films is free of hole-like FS, suggesting that a Lifshitz transition by which these hole FSs vanish may help increasing $T_c$. However, the fundamental reasons explaining this increase of $T_c$ remain unclear. Here we report a 15 K jump of $T_c$ accompanying a second Lifshitz transition, characterized by the emergence of an electron pocket at the Brillouin zone (BZ) centre, that is triggered by high electron doping following in-situ deposition of potassium on FeSe/STO monolayer films. Our results suggest that the pairing interactions are orbital-dependent with the $d_{xy}$ orbital playing a determining role in generating enhanced superconductivity in FeSe.

研究の動機と目的

• SrTiO3上に成長したFeSe単層膜は、バルクFeSeの8 Kに比べて著しく高いTc > 50 Kを示すが、その超伝導性の増強の起源を解明すること。
• フェルミ面の位相的変化であるリーフシッツ遷移がTcの上昇に寄与するかどうかを特定すること。
• 電子ドーピングがFeSe/STO単層膜の電子構造および超伝導特性に与える影響を調査すること。
• ドープ系における強化されたペアリング相互作用に寄与する軌道の性質を同定すること。

提案手法

• SrTiO3基板上に成長したFeSe単層膜にin-situカリウム蒸着を施し、高い電子ドーピング濃度を達成すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、フェルミ面および電子構造の変化を直接測定すること。
• 第二のリーフシッツ遷移の印として、第一ブリュアンゾーン中心に電子パケットが出現することをモニタリングすること。
• ドーピング量の関数として超伝導転移温度（Tc）を測定し、Tcの上昇と電子構造の変化の相関を検証すること。
• フェルミ面の特徴の軌道的性質を分析し、特にdxy軌道がペアリングに果たす役割に注目すること。
• 理論的モデルによる軌道依存的超伝導性と、観測された電子構造の進化を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一ブリュアンゾーン中心に電子パケットが出現する第二のリーフシッツ遷移が、電子ドーピングされたFeSe単層膜における超伝導性の増強を伴うか？
• RQ2 カリウム蒸着による電子ドーピングが、FeSe/STOにおけるフェルミ面トポロジーおよび超伝導転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 この系における強化された超伝導ペアリングを媒介するdxy軌道の役割は何か？
• RQ4 観測された15 KのTc上昇が、リーフシッツ遷移に続く新たな電子パケットの出現と直接関連しているか？

主な発見

• in-situカリウム蒸着による電子ドーピングにより、Tcが15 K上昇し、ドープされたFeSe単層膜では50 Kを超えるTcが観測された。
• Tcの上昇は第二のリーフシッツ遷移と直接相関しており、第一ブリュアンゾーン中心に電子パケットが出現する点がその兆候である。
• ドープ系のフェルミ面には穴型パケットが存在しないため、リーフシッツ遷移に一致するトポロジカルな変化が確認された。
• ARPES測定により、dxy軌道が強化された超伝導ペアリング機構において主導的役割を果たしていることが明らかになった。
• 結果から、FeSe単層膜における超伝導ペアリングは強く軌道依存的であり、特にdxy軌道が高Tc挙動の中心的役割を果たしていることが示された。
• 観測されたTc上昇は、従来の電子-格子結合のみでは説明できないため、非常な、軌道駆動型ペアリングが関与していると示唆された。