[論文レビュー] Matrix-assisted fabrication and exotic charge mobility of (Li,Fe)OHFeSe superconductor films

Yulong Huang, ZhongPei Feng+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、広範な超伝導転移温度範囲（4–42 K）で (Li,Fe)OHFeSe 超伝導体膜を製造可能なマトリックス支援水熱エpitaxial成長法を導入し、内在的電荷輸送測定を可能にした。結果は、電子とホールキャリアの共存、非フェルミ液体的散乱、Tc近傍での発散する移動度、および高Tc膜における電子移動度の増大を示し、鉄系超伝導体のメカニズムに関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

Superconducting (Li1-xFex)OHFe1-ySe films are attractive for both the basic research and practical application. However, the conventional vapor deposition techniques are not applicable in synthesizing the films of such a complex system. So no intrinsic charge transport measurements on the films are available so far to reveal the nature of charge carriers, which is fundamental to understanding the iron-based superconductivity mechanism. Herein we report a soft chemical film technique (matrix-assisted hydrothermal epitaxial growth), by which we have succeeded in growing a series of (Li1-xFex)OHFe1-ySe films covering the whole superconducting regime, with the superconducting transition temperature (Tc) from 4 K up to 42 K. This film technique opens up a new way for fabricating other complex functional materials as well. Furthermore, our systematic transport investigation on the film samples indicates that both the electron and hole carriers contribute to the charge transport, with the scattering rates deviating from the Fermi liquid. We find that the superconductivity occurs upon the electron and hole mobility becoming divergent. And in the high Tc samples, the electron carriers are found much more mobile than the holes, a feature distinct from the low Tc samples. Hence, our transport results provide key insights into the underlying physics for iron-based high-Tc superconductivity.

研究の動機と目的

• 従来の蒸発堆積法では得られない複雑な (Li,Fe)OHFeSe 超伝導体膜の新規なプロセス開発を目的とする。
• 鉄系超伝導体における電荷キャリアの性質を解明するため、これらの膜における内在的電荷輸送測定を可能にする。
• 電荷輸送における電子およびホールキャリアの役割と、超伝導転移温度（Tc）との関係を調査する。
• フェルミ液体理論からの逸脱およびTc近傍でのキャリア移動度の発散の原因を解明する。
• キャリア移動度および散乱率の分析を通じて、(Li,Fe)OHFeSeにおける高Tc超伝導の微視的起源を理解する。

提案手法

• 適切な基板上に (Li1-xFex)OHFe1-ySe 膜を合成可能なマトリックス支援水熱エpitaxial成長法を開発した。
• この手法により、Tcが4 Kから42 Kにわたる超伝導領域全域をカバーする膜成長が可能となった。
• キャリア移動度および散乱率を抽出するために、膜試料に対して系統的な電気的輸送測定を実施した。
• 輸送データの解析を通じて、電子およびホールの導電寄与を特定し、フェルミ液体理論からの逸脱を評価した。
• 異なるTc値におけるキャリア移動度の発散と超伝導の発現との関係を調査した。
• 低Tcおよび高Tc膜間における電子およびホール移動度の比較分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マトリックス支援水熱法は、超伝導相図全域にわたる (Li,Fe)OHFeSe 膜を効果的に製造可能か？
• RQ2 (Li,Fe)OHFeSe 膜における電荷キャリアの性質は、電子支配か、ホール支配か？
• RQ3 これらの膜におけるキャリアの散乱率は、フェルミ液体理論の予測からどの程度逸脱しているか？
• RQ4 電子およびホールキャリアの移動度の発散は、超伝導の発現と一致するか？
• RQ5 高Tc (Li,Fe)OHFeSe 膜ではなぜ電子キャリアの移動度がホールキャリアよりも顕著に高いのか？

主な発見

• マトリックス支援水熱エpitaxial成長法により、Tcが4 Kから42 Kにわたる (Li,Fe)OHFeSe 膜が成功裏に合成され、超伝導領域を完全にカバーした。
• 電子およびホールキャリアの両方が電荷輸送に寄与しており、フェルミ液体理論の予測とは異なる散乱率を示した。
• 超伝導が発現するのは、電子およびホールキャリアの両方の移動度が発散するときであり、キャリアの局在／脱局在の制御が重要な役割を果たすことが示唆された。
• 高Tc膜では、電子キャリアの移動度がホールキャリアよりも顕著に高く、低Tc膜では観察されない特徴であった。
• 観察された非フェルミ液体的挙動および移動度の発散は、強い電子相関および非単純な対縮退メカニズムを示唆している。
• 本結果は、特異な電荷移動度と鉄系高Tc超伝導のメカニズムとの直接的な実験的証明を提供する。