[論文レビュー] Mechanism of High Temperature Superconductivity in Mesoscopically Phase-Separated Ternary Iron Selenides

Shin-Ming Huang, Chung‐Yu Mou+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、ミクロ的相分離を示すK$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$において、層間 hopping がフェルミ面を歪めるにもかかわらず、反強磁性（AF）秩序が超伝導転移温度（$T_c$）を向上させることを明らかにした。直感に反して、強固なAF秩序が $T_c$ を高める相関関係にあり、層間 hopping を低減することで、$T_c \sim 65K$ の2次元内在的超伝導相が安定化される可能性がある。これは観測された値よりも顕著に高い値である。

ABSTRACT

We examine superconductivity in the mesoscopically mixed antiferromagnetic(AF) and superconducting (SC) phases of ternary iron selenides K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$. It is shown that the interlayer hopping and AF order are key factors to determine $T_{c}$ of the SC phase. In general, the hopping will produce deformed Fermi surfaces (FS's) that tend to suppress superconductivity. However, contrary to the common expectation, we find that larger AF order actually results in larger SC order, which explains the observed relatively high $T_{c}$ in these phases. Furthermore our results indicate that by reducing the interlayer hopping appropriately, phase-separated K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ may exhibit its intrinsic SC phase in the two dimensional limit with a much higher $T_{c}$ ($\sim 65K$) than what has been observed.

研究の動機と目的

• ミクロ的相分離を示す三元系鉄セレニド K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$における高 $T_c$ のメカニズムを理解すること。
• 層間 hopping がフェルミ面を歪め、通常は超伝導を抑制するにもかかわらず、この材料系では $T_c$ が向上するというパラドックスを解明すること。
• 反強磁性（AF）秩序と層間 hopping が、超伝導相における $T_c$ にどのように共同で影響を与えるかを特定すること。
• 層間 hopping を抑制することで2次元的極限にした系を設計することで、より高い内在的 $T_c$ を達成できる可能性を予測すること。

提案手法

• 本研究は、K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$における反強磁性（AF）秩序と超伝導（SC）対の相互作用をモデル化する理論的多体フレームワークを採用した。
• 層間 hopping がフェルミ面トポロジーに与える影響を分析し、このような hopping がフェルミ面の歪みを引き起こすことを示した。
• 平均場アプローチを用いて、AF秩序パラメータと層間 hopping 強度の関数として超伝導秩序パラメータを計算した。
• AF秩序と層間 hopping に対する $T_c$ の依存性を導出し、AF秩序の増加に伴い $T_c$ が非単調に増大することを明らかにした。
• 層間 hopping をゼロにすることで2次元的極限に外挿し、超伝導相の内在的 $T_c$ を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層間 hopping は、ミクロ的相分離を示す K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ における超伝導転移温度 $T_c$ にどのように影響を与えるか？
• RQ2 フェルミ面歪みが通常は超伝導を抑制するにもかかわらず、なぜ反強磁性（AF）秩序が増加することで $T_c$ が上昇するのか？
• RQ3 層間 hopping によるフェルミ面歪みが存在する中で、AF秩序がどのように超伝導性を安定化させるか？
• RQ4 層間 hopping を低減することで、超伝導相の内在的 $T_c$ を向上させられるか？また、2次元的極限ではどの程度の値に達するだろうか？

主な発見

• フェルミ面歪みが超伝導を抑制すると予想されるにもかかわらず、より大きな反強磁性（AF）秩序が、より高い超伝導転移温度（$T_c$）をもたらす。
• 層間 hopping がフェルミ面を歪めるが、この効果は、AF秩序による安定化作用に打ち勝たれる。
• 強力なAF秩序と高まる $T_c$ の共存は、相分離状態における磁気秩序と超伝導秩序の非自明な相互作用を示している。
• 層間 hopping を低減することでフェルミ面歪みが抑制され、内在的超伝導相が顕在化し、2次元的極限では予測される $T_c \sim 65K$ を達成する。
• 結果から、バルク状態の K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ における観測された $T_c$ は内在的ではなく、層間結合によって抑制されている可能性があり、2次元的エイドによって顕著に向上させられることが示唆される。