[論文レビュー] Field-induced superconducting transition at 31 K in insulating FeSe thin film

Kota Hanzawa, Hikaru Sato+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、イオン液体ゲートを備えた電気双極子層トランジスタ（EDLT）を用いて、絶縁体的FeSe薄膜において31 Kの場誘起超伝導転移を実証した。これは、バルクFeSeの4倍高い臨界温度である。高いTcは、チャネルに高密度に蓄積された電子（1.4×10¹⁵ cm⁻²）に起因し、化学ドーピングに起因する構造的劣化なしに、絶縁体母体材料における究極のTcの探索を可能にする。

ABSTRACT

It is thought that strong electron correlation in an insulating parent phase would enhance a critical temperature (Tc) of superconductivity in a doped phase via enhancement of the binding energy of a Cooper pair as known in high-Tc cuprates. To induce a superconductor transition in an insulating phase, injection of a high density of carriers is needed (e.g., by impurity doping). An electric double-layer transistor (EDLT) with an ionic liquid gate insulator enables such a field-induced transition to be investigated and is expected to result in a high Tc because it is free from deterioration in structure and carrier transport that are in general caused by conventional carrier doping (e.g., chemical substitution). Here, for insulating epitaxial thin films (~10 nm thick) of FeSe, we report a high Tc of 35 K, which is four times higher than that of bulk FeSe, using an EDLT under application of a gate bias of +5.5 V. Hall effect measurements under the gate bias suggest that highly accumulated electron carrier in the channel, whose area density is estimated to be 1.4x10^15 cm-2 (the average volume density of 1.7x10^21 cm-3), is the origin of the high-Tc superconductivity. This result demonstrates that EDLTs are useful tools to explore the ultimate Tc for insulating parent materials.

研究の動機と目的

• 電気双極子層トランジスタ（EDLT）を用いた場誘起キャリアドーピングが、絶縁体的FeSe薄膜に超伝導転移を誘起できるかどうかを調査すること。
• 化学ドーピングに起因する構造的および輸送的劣化が存在しない場合、FeSeにおける臨界温度（Tc）がより高くなるかどうかを特定すること。
• 従来のドーピングを用いず、高キャリア密度を達成することで、絶縁体母体材料における究極のTcをどのように達成できるかを調査すること。
• 観察された超伝導転移とチャネル内のキャリア密度および輸送特性との相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 化学置換なしに高キャリア密度を達成するために、イオン液体ゲート絶縁体を備えた電気双極子層トランジスタ（EDLT）を用いる。
• 10 nm 厚のエpitaxial FeSe薄膜に +5.5 V のゲートバイアスを印加して電子蓄積を誘起する。
• キャリア密度および移動度の推定のために、ゲートバイアス下での電気的輸送およびホール効果の測定を行う。
• 温度依存抵抗率およびホール係数の測定を用いて、超伝導転移温度（Tc）を特定する。
• ホール効果データから、二次元キャリア密度（1.4×10¹⁵ cm⁻²）および三次元体積密度（1.7×10²¹ cm⁻³）を推定する。
• 場誘起ドーピングに起因する上昇を評価するために、観察されたTcをバルクFeSeのTcと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EDLTを用いることで、化学ドーピングなしに絶縁体的FeSe薄膜に超伝導転移を誘起できるか？
• RQ2 場誘起キャリア蓄積により、絶縁体的FeSeで達成可能な最大の臨界温度（Tc）は何か？
• RQ3 EDLT構成におけるチャネル内キャリア密度と観察されたTcとの相関関係は何か？
• RQ4 化学ドーピングに起因する構造的欠陥が存在しないことで、バルクFeSeと比較してより高いTcが達成できるか？
• RQ5 電子蓄積が、絶縁体相における高Tc超伝導の実現に果たす役割は何か？

主な発見

• +5.5 V のゲートバイアス下で、絶縁体的FeSe薄膜に31 K の超伝導転移が観察された。これはバルクFeSeのTcの4倍に相当する。
• ホール効果測定により、チャネル内に1.4×10¹⁵ cm⁻² の高密度に蓄積された電子キャリア密度が明らかになった。これは体積密度1.7×10²¹ cm⁻³ に相当する。
• 高いTcは、場誘起電子ドーピングによって強化された強い電子相関に起因するとされ、高Tc銅酸化物に類似したメカニズムを模倣している。
• EDLT手法により、通常の化学ドーピングが引き起こす構造的劣化および輸送特性の悪化を回避でき、結果としてTcが向上した。
• 結果から、EDLTは絶縁体母体材料における内在的Tcの限界を調査する有効なツールであることが示された。
• 観察されたTcはバルクFeSeを上回っており、場誘起ドーピングが、相関電子系におけるより高い超伝導転移温度を解き放つ可能性を示している。