[論文レビュー] Evolution of high-temperature superconductivity from low-Tc phase tuned by carrier concentration in FeSe thin flakes

Bin Lei, Jianhua Cui+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、FeSe薄膜に液体ゲートを用いた電子ドーピングによって、外部圧力やエpitaxial界面を用いずに、低Tc超伝導相からTcが48 Kに達する高Tc相への転移が実現された。この転移は、Lifshitz転移と一致しており、キャリア濃度の調整のみでバルクFeSeにおける高臨界温度超伝導が安定化可能であることが示され、鉄系超伝導体の対結合メカニズムに関する重要な知見が得られた。

ABSTRACT

In contrast to bulk FeSe superconductor, heavily electron-doped FeSe-derived superconductors show relatively high Tc without hole Fermi surfaces and nodal superconducting gap structure, which pose great challenges on pairing theories in the iron-based superconductors. In the heavily electron-doped FeSe-based superconductors, the dominant factors and the exact working mechanism that is responsible for the high Tc need to be clarified. In particular, a clean control of carrier concentration remains to be a challenge for revealing how superconductivity and Fermi surface topology evolves with carrier concentration in bulk FeSe. Here, we report the evolution of superconductivity in the FeSe thin flake with systematically regulated carrier concentrations by liquid-gating technique. High-temperature superconductivity at 48 K can be achieved only with electron doping tuned by gate voltage in FeSe thin flake with Tc less than 10 K. This is the first time to achieve such a high temperature superconductivity in FeSe without either epitaxial interface or external pressure. It definitely proves that the simple electron-doping process is able to induce high-temperature superconductivity with Tc as high as 48 K in bulk FeSe. Intriguingly, our data also indicates that the superconductivity is suddenly changed from low-Tc phase to high-Tc phase with a Lifshitz transition at certain carrier concentration. These results help us to build a unified picture to understand the high-temperature superconductivity among all FeSe-derived superconductors and shed light on further pursuit of higher Tc in these materials.

研究の動機と目的

• FeSeにおけるキャリア濃度が超伝導転移温度（Tc）に与える影響を解明すること。
• 制御された電子ドーピング下でのバルクFeSeにおける超伝導およびフェルミ準拠のトポロジーの進化を調査すること。
• FeSeにおける高Tc超伝導がエpitaxial界面や外部圧力なしに達成可能かどうかを特定すること。
• 電子ドーピングされたFeSeにおける高Tc超伝導の出現の背後にある微視的メカニズムを同定すること。
• 体系的なキャリア濃度調整を通じて、FeSe由来材料における超伝導の統一的理解を確立すること。

提案手法

• 剥離したFeSe薄膜における電子キャリア濃度を精密に調整するために液体ゲート技術が用いられた。
• 抵抗およびホール効果測定を実施し、キャリア密度および超伝導転移温度（Tc）をモニタリングした。
• ゲート電圧を系統的に変化させ、連続的な電子ドーピングを実現し、超伝導および電子的性質の進化を調査した。
• ホール測定からフェルミ準拠のトポロジーを推定し、超伝導相転移と関連付けた。
• 臨界ドーピングレベルでキャリア密度および電子構造に不連続な変化が観察されたことから、Lifshitz転移の存在を同定した。
• 理論モデルとのTcの進化の比較により、支配的な対結合メカニズムを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部圧力や人工的界面を用いずに、FeSeにおける高Tc超伝導が電子ドーピングのみで達成可能か。
• RQ2 FeSe薄膜における電子キャリア濃度の増加に伴い、超伝導転移温度（Tc）はどのように変化するか。
• RQ3 超伝導相が低Tcから高Tc行動に急激に転移する臨界キャリア濃度が存在するか。
• RQ4 フェルミ準拠のトポロジー変化（Lifshitz転移）が、FeSeにおける高Tc超伝導の発現を引き起こす役割を果たすか。
• RQ5 電子ドーピングされたFeSeにおける高Tc超伝導の出現を支配する主な対結合メカニズムは何か。

主な発見

• 外部圧力やエpitaxial界面を要せず、液体ゲートによる電子ドーピングによって、FeSe薄膜でTcが48 Kに達する高臨界温度超伝導が実現された。
• 臨界電子キャリア濃度において、低Tc超伝導相（Tc < 10 K）から高Tc相（Tc = 48 K）への急激な転移が観察された。
• この転移は、キャリア密度およびフェルミ準拠のトポロジーに不連続な変化を伴うLifshitz転移と一致していた。
• 超伝導の進化はキャリア濃度に直接関連しており、バルクFeSeにおける高Tc超伝導が電子ドーピングのみで安定化可能であることが示された。
• 結果から、FeSe由来超伝導体における対結合メカニズムは、Lifshitz点における電子状態の変化に強く依存していると考えられる。
• 本研究の結果は、FeSeベース材料における高Tc超伝導の統一的画像を強く支持しており、電子的トポロジーおよびドーピングの役割が強調されている。