[論文レビュー] Magnetothermoelectric effects in Fe{1+d}Te{1-x}Se{x}

Marcin Matusiak, E. Pomjakushina+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、鉄系超伝導体におけるスピン揺らぎの役割を解明するため、Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ単結晶における磁場下熱電輸送特性を調査した。セレンドーピングが(π,0)スピン揺らぎを抑制することを明らかにした。近接したドーピング条件下の超伝導体においては、低温で発散する挙動を示し、熱電応答は(π,π)揺らぎに感受性を示す単一のバンドに支配されている。これは、このバンドが超伝導性を担っている可能性を示唆している。

ABSTRACT

We report resistivity as well as the Hall, Seebeck and Nernst coefficients data for Fe{1+d}Te{1-x}Se{x} single crystals with x = 0, 0.38, and 0.40. In the parent compound Fe{1.04}Te we observe at Tn = 61 K a sudden change of all quantities studied, which can be ascribed to the Fermi surface reconstruction due to onset of the antiferromagnetic order. Two very closely doped samples: Fe{1.01}Te{0.62}Se{0.38} (Se38) and Fe{1.01}Te{0.60}Se{0.40} (Se40) are superconductors with Tc = 13.4 K and 13.9 K, respectively. There are no evident magnetic transitions in either Se38 or Se40. Properties of these two single crystals are almost identical at high temperatures, but start to diverge below T ~ 80 K. Perhaps we see the onset of scattering that might be a related to changes in short range magnetic correlations caused by selenium doping.

研究の動機と目的

• セレンドーピングがFe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓにおけるスピン揺らぎに及ぼす影響およびその電子輸送への影響を理解すること。
• 鉄族 chalcogenides における超伝導ペアリングに、(π,0)と(π,π)スピン揺らぎの共存または競合が及ぼす影響を調査すること。
• 異なる導電バンドが磁場および熱電的摂動に対して異なる応答を示すかどうか、特に超伝導に近い常温状態で確認すること。
• 約80 K未満で顕著な輸送挙動の発散を示す2つのほぼ同一の超伝導体（Se38とSe40）の起源を明確にすること。
• 見られる低温異常が化学ポテンシャルの変化または散乱メカニズムの変化に起因するかどうかを評価すること。

提案手法

• Fe₁.₀₄Te、Fe₁.₀₁Te₀.₆₂Se₀.₃₈（Se38）、およびFe₁.₀₁Te₀.₆₀Se₀.₄₀（Se40）の単結晶は、高純度元素を用いた修正ブリッジマン法により成長した。
• 化学組成はエネルギー分散型X線（EDX）分析により確認され、セレン含有量のわずかな差異（x = 0.38および0.40）が確認された。
• 輸送測定には、四端子抵抗率、ホール効果（逆磁場法を用いて）、サーモエレクトリック係数、および最大±12.5 Tの磁場下でのネルンスト効果が含まれた。
• ネルンストおよびホール信号の磁場依存性を分析し、奇関数および偶関数成分（Bに関する）を分離することで、内在的な熱電および磁気的応答を抽出した。
• 理論的分析では、多バンド輸送を考慮し、ネルンスト効果におけるアンビポーラ的寄与と、温度依存的化学ポテンシャル（μ）がサーモポワワー（S）に与える役割を検討した。
• 非弾性中性子散乱の結果（(π,0)と(π,π)スピン揺らぎの共存を示す）を踏まえ、解釈が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セレンドーピングは、Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓにおける(π,0)と(π,π)スピン揺らぎの競合にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ほぼ同一の超伝導体（Se38とSe40）が約80 K未満で発散する輸送挙動を示すのはなぜか？
• RQ3 常温状態で、熱電およびネルンスト応答を支配する導電バンドはどれであり、スピン揺らぎとどのように結合しているか？
• RQ4 化学ポテンシャルの変化または散乱メカニズムの変化が、見られるサーモエレクトリックおよびネルンスト係数の異常をどの程度説明できるか？
• RQ5 Se-dopingによる(π,0)スピン揺らぎの抑制が、Se40ではバルク超伝導性の出現を引き起こすが、Se38ではそうではない理由は何か？

主な発見

• Fe₁.₀₄Teでは、Tₙ = 61 Kで急激な転移が観察され、抵抗率、ホール係数、サーモエレクトリック係数、ネルンスト信号に急激な変化が生じ、反強磁性(π,0)秩序に起因するフェルミ面再構成を示している。
• Fe₁.₀₄Teにおけるネルンスト信号は、12.5 Tまで磁場依存性を示さず、強い磁気的結合と顕著な磁場誘起効果の欠如を示している。
• Se38（Tc = 13.4 K）とSe40（Tc = 13.9 K）は両方とも超伝導体であるが、ネルンストおよび磁化測定結果から、Se38にはバルク超伝導性がなく、Se40には存在することが示唆された。
• 約80 K未満で、抵抗率およびホール係数がSe38とSe40で発散し、異なる散乱メカニズムまたは電子相関を示している。
• サーモエレクトリック係数およびネルンスト係数は弱く影響を受けることから、熱電輸送は(π,π)スピン揺らぎに感受性を示す単一の電子的バンドに支配されていると考えられる。
• 約60 K未満でネルンスト係数の急低下と符号反転が観察され、低温ネルンスト応答は1つのバンドに支配されており、おそらく超伝導性の主たるキャリアチャネルである。