[論文レビュー] High-throughput investigation of tunable superconductivity in FeSe films

Zhongpei Feng, Jie Yuan+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2018

Iron-based superconductors research参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2 K から 12 K の範囲で超伝導転移温度（Tc）の連続的勾配を持つFeSe膜を高 through プットパulsed laser depositionを用いて作成し、構造的および電子的チューニングの系統的評価を可能にした。その結果、強化された超伝導性は、化学ポテンシャルのシフトではなく、格子歪みの低減によるdxy軌道バンド分散の選択的変化に起因することが判明し、FeSeにおけるチューナブル超伝導性の統一的メカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

There is an ongoing debate about the relative importance of structural change versus doping charge carriers on the mechanism of superconductivity in Fe-based materials. Elucidating this issue is a major challenge since it would require a large number of samples where structure properties or the carrier density is systematically varied. FeSe, with its structural simplicity, is an ideal platform for addressing this question. It has been demonstrated that the superconductivity in this material can be controlled through crystal lattice tuning, as well as electronic structure manipulation. Here, we apply a high-throughput methodology to FeSe to systematically delineate the interdependence of its structural and electronic properties. Using a dual-beam pulsed laser deposition, we have generated FeSe films with a marked gradient in the superconducting transition temperature (below 2 K < Tc < 12 K) across 1 cm width of the films. The Tc gradient films display ~ 1% continuous stretch and compression in the out-of-plane and in-plane lattice constants respectively, triggering the continuous enhancement of superconductivity. Combining transport and angular-resolved photoemission measurements on uniform FeSe films with tunable Tc from 3 K to 14 K, we find that the electron carrier density is intimately correlated with Tc, i.e., it increases by a factor of 6 and ultimately surpasses the almost constant hole concentration. Our transmission electron microscope and band structure calculations reveal that rather than by shifting the chemical potential, the enhanced superconductivity is linked to the selective adjustment of the dxy band dispersion across the Fermi level by means of reduced local lattice distortions. Therefore, such novel mechanism provides a key to understand discrete superconducting phases in FeSe.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における超伝導性を支配するのは構造的変化かキャリアドーピングかという長年の論争を解消すること。
• FeSe（代表的な鉄 chalcogenide）において、格子ひずみとキャリア密度のTcへの影響を系統的に分離すること。
• 複雑酸化物膜における超伝導特性の連続的チューニングを可能にする高 through プットプラットフォームの構築すること。
• キャリア濃度効果を越えた、FeSeにおける強化された超伝導性の微視的起源を特定すること。

提案手法

• 1 cm幅にわたる連続的な面内および面外格子ひずみ勾配を持つFeSe膜を、二重ビームパulsed laser depositionを用いて成長させた。
• 膜全体にわたる空間的に分解能のあるTc測定を電気的測定により実施し、2 K から 12 K にわたる連続的なTc変化を明らかにした。
• Tcに応じた電子状態の進化をマッピングするために、均一にチューニングされたFeSe膜を用いて角度分解光電子分光測定（ARPES）を実施した。
• 局所的な格子歪みと電子バンド構造の相関関係を明らかにするために、透過型電子顕微鏡（TEM）を実施した。
• 格子歪みがdxy軌道分散および超伝導ペアリングに与える影響を結びつけるために、第一原理バンド構造計算を実施した。
• キャリア電子密度とTcの相関関係を評価し、電子密度n_eが6倍に増加した一方で、ホール密度はほとんど変化しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的な格子ひずみチューニングは、FeSe膜における超伝導転移温度（Tc）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 FeSeにおける超伝導性は、キャリア密度の影響と格子歪みの影響のどちらが支配的か？
• RQ3 強化された超伝導性の微視的起源は何か—化学ポテンシャルのシフトか、バンド構造の変更か？
• RQ4 局所的な格子歪みは、フェルミ準位近くのdxy軌道の分散にどのように影響を与えるか？
• RQ5 高 through プットプラットフォームは、複雑酸化物における超伝導特性の系統的かつ連続的チューニングを可能にするか？

主な発見

• 制御された格子ひずみを用いて、1 cm幅のFeSe膜で2 K から 12 K にわたる連続的なTc勾配を達成した。
• Tc勾配に沿って電子キャリア密度は6倍に増加したが、ホール密度はほとんど変化しなかった。
• 強化された超伝導性は、主にフェルミ準位近くのdxy軌道バンド分散を特異的に変化させる、局所的格子歪みの低減に起因する。
• バンド構造計算により、dxy軌道の分散が格子歪みに対して最も感受性が高く、Tcの増大を説明できることが確認された。
• 顕著な化学ポテンシャルシフトが認められないことから、単純なドーピング効果は除外され、代わりに軌道選択的バンド工学のメカニズムが支配的であると示唆された。
• 本研究により、格子歪みの抑制とTcの上昇の直接的な関連性が確立され、鉄系材料における超伝導性の工学的設計に新たな道が開かれた。