[論文レビュー] Highly mobile carriers in orthorhombic phases of iron-based superconductors FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$

E. A. Ovchenkov, Д. А. Чареев+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 37被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、テトラゴナル相とは異なり、正方晶相のFeSe₁₋ₓSₓ超伝導体に顕著な高 mobility 電子バンドが存在することを特定した。このバンドは、ヴァン・ホーブ特異点付近の局所的フェルミ表面領域に起因する。移動度が約1843 cm²/Vsで、キャリア濃度が低いこのバンドは、正方晶相の強い Kohler の法則違反および異常ホール効果・磁気抵抗の原因を説明しており、鉄系超伝導体における局所的電子的不安定性の重要な役割を示唆している。

ABSTRACT

The field and temperature dependencies of the longitudinal and Hall resistivity have been measured for FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$ (x=0.04, 0.09 and 0.19) single crystals. The sample FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ does not show a transition to an orthorhombic phase and exhibits at low temperatures the transport properties quite different from those of orthorhombic samples. The behavior of FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ is well described by the simple two band model with comparable values of hole and electron mobility. In particular, at low temperatures the transverse resistance shows a linear field dependence, the magnetoresistance follow a quadratic field dependence and obeys to Kohler's rule. In contrast, Kohler's rule is strongly violated for samples having an orthorhombic low temperature structure. However, the transport properties of the orthorhombic samples can be satisfactory described by the three band model with the pair of almost equivalent to the tetragonal sample hole and electron bands, supplemented with the highly mobile electron band which has two order smaller carrier number. Therefore, the peculiarity of the low temperature transport properties of the orthorhombic Fe(SeS) samples, as probably of many other orthorhombic iron superconductors, is due to the presence of a small number of highly mobile carriers which originate from the local regions of the Fermi surface, presumably, nearby the Van Hove singularity points.

研究の動機と目的

• 正方晶鉄系超伝導体における異常な低温輸送特性の起源を理解すること。
• 正方晶相のFeSe₁₋ｘSｘの電子的挙動がテトラゴナル相とどのように異なっているか、特に磁気抵抗およびホール効果において区別すること。
• 高移動度キャリアが正方晶相にのみ出現するか、およびフェルミ表面トポロジーからの起源を特定すること。
• Kohlerの法則が正方晶相とテトラゴナル相でどのように有効であるかを検証し、その違反を説明すること。
• テトラゴナルから正方晶への転移に伴い、ヴァン・ホーブ特異点付近の電子的不安定性と関連して高移動度キャリアが出現する仕組みを結びつけること。

提案手法

• 高品質なFeSe₁₋ｘSｘ単結晶（x = 0.04, 0.09, 0.19）を用い、磁場および温度を変化させた縦方向およびホール抵抗率を測定した。
• テトラゴナル相のFeSe₀.₈₁S₀.₁₉に二バンドモデルを適用し、横方向抵抗率の線形B依存性および2次磁気抵抗を示した。
• 正方晶相に三バンドモデルを適用し、低キャリア濃度の高移動度電子バンドを組み込んだ。
• Kohlerの法則からの逸脱を分析し、正方晶相における非ユニバーサルスケーリング行動を特定した。
• ARPESおよびバンド構造計算を用いて、フェルミ表面再構築とヴァン・ホーブ特異点への近接性を輸送異常と関連づけた。
• 移動度スペクトル解析と先行の高品質FeSeデータとの比較により、超高速キャリアの存在を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ正方晶相のFeSe₁₋ｘSｘは強力にKohlerの法則に違反するが、テトラゴナル相ではそうではないのか？
• RQ2 なぜ高移動度キャリアが正方晶相にのみ出現するのか？
• RQ3 テトラゴナルから正方晶への相転移に伴うフェルミ表面再構築が、特定の点付近でキャリア移動度をどのように向上させるのか？
• RQ4 正方晶Fe(SeS)試料における異常ホール効果および磁気抵抗挙動の原因は何か？
• RQ5 特にヴァン・ホーブ特異点付近のフェルミ表面の局所的領域が、正方晶鉄系超伝導体における輸送特性をどの程度支配しているのか？

主な発見

• テトラゴナル相のFeSe₀.₈₁S₀.₁₉試料は標準的な二バンド輸送を示し、線形ホール抵抗率および2次磁気抵抗を示し、Kohlerの法則に従う。
• 正方晶相（x = 0.04, 0.09）ではKohlerの法則に強い違反が観察され、非ユニバーサルスケーリングおよび複雑なキャリアダイナミクスを示唆する。
• 移動度が約1843 cm²/Vsで、主バンドと比較してキャリア濃度が2桁小さい低濃度の高移動度電子バンドが、正方晶相にのみ特定された。
• このバンドは、ヴァン・ホーブ特異点付近の局所的フェルミ表面領域に起因し、おそらくテトラゴナルから正方晶への相転移に伴うバンド再構築によるものと考えられる。
• 相転移に伴い、主バンドのホールおよび電子バンドのキャリア濃度が数倍減少しており、電子的不安定性およびバンド幅の縮小を示唆する。
• 結果はHuynhら（2014）の高品質FeSeデータと定量的に整合し、ヴァン・ホーブ点付近のフェルミ表面の局所的非等方性が超高速キャリアの生成に寄与する役割を支持する。