[論文レビュー] Nematic properties of FeSe$_{1-x}$Te$_{x}$ crystals with a low Te content

E. A. Ovchenkov, Д. А. Чареев+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、低TeドーピングFeSe1-xTex単結晶（x = 0.17, 0.21, 0.25）におけるネマチック性を調査し、FeSeの分解点をわずかに上回る温度でフラックス法を用いて高品質なサンプルを合成し、固溶体を安定化させた。輸送測定から、約70–60 Kでネマチック転移が観察され、x > 0.17でホールから電子へのキャリア型の反転が生じ、弾性抵抗率の符号反転（正から負に）が確認され、ネマチック性の強力な電子的起源がフェルミ面トポロジーと量子臨界性に関連していることが示された。

ABSTRACT

We report on the synthesis and physical properties of FeSe$_{1-x}$Te$_x$ single crystals with a low Te content (x = 0.17, 0.21, 0.25), where the replacement of Se with Te partially suppresses superconductivity. Resistivity and Hall effect measurements indicate weak anomalies at elevated temperatures ascribed to nematic transitions. A quasi-classical analysis of transport data, including in a pulsed magnetic field of up to 25 T, confirms the inversion of majority carriers type from holes in FeSe to electrons in FeSe$_{1-x}$Te$_x$ at x $>$ 0.17. The temperature-dependent term in the elastoresistance of the studied compositions has a negative sign, which means that for substituted FeSe compositions, the elastoresistance is positive for hole-doped materials and negative for electron-doped materials just like in semiconductors such as silicon and germanium.

研究の動機と目的

• 低Te含有量（x < 0.3）の高品質なFeSe1-xTe x単結晶の合成を通じて、FeSeベース系のネマチック相図を完成させること。
• 化学的圧力をかけたFeSe1-xTe xにおけるネマチック秩序の出現とその電子輸送との相関を調査すること。
• Teドーピングに伴うキャリア型反転およびelastoresistivityの挙動を、Te含有量の関数として特定すること。
• 鉄系超伝導体におけるネマチック性、フェルミ面トポロジー、および量子臨界性の関連を明らかにすること。

提案手法

• FeSeの分解点をわずかに上回る温度で、FeSeのTe溶解度と拡散を向上させるために、フラックス法を用いて高品質なFeSe1-xTe x単結晶を合成した。
• 磁場最大25 Tの範囲で抵抗率およびホール効果測定を実施し、キャリア型と輸送異方性を分析した。
• elastoresistivityを測定し、一軸ひずみ下での温度依存的抵抗率から係数C^ELを抽出することで、歪みに対する電子的応答を調べた。
• 磁場（最大25 T）におけるホール効果および縦方向抵抗率データに三バンドモデルをフィットさせ、キャリア濃度および移動度を抽出した。
• エネルギー分散型スペクトロスコピー（EDS）を用いて、結晶中の実効Te含有量（x_EDS）を決定し、標称ドーピングレベルの妥当性を確認した。
• 構造的転移温度T_Nはdρ_xx/dTの微分から特定され、超伝導転移温度T_cはρ_xx(T)曲線から抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低Teドーピング（x < 0.3）はFeSe1-xTe xにネマチック転移を誘発するか？その転移温度は何か？
• RQ2 Te含有量の増加に伴い、FeSe1-xTe xにおけるキャリア型がホール的から電子的へ反転するか？その反転が観察されるx値は何か？
• RQ3 Teドーピングに伴うelastoresistivity係数C^ELの符号の変化はどのように進行し、ネマチック性の電子的性質を何が示唆するか？
• RQ4 FeSe1-xTe xにおけるネマチック転移温度T_Nと全キャリア濃度n_∑の間に相関があるか？
• RQ5 フェルミ準位がヴァン・ホーフ・特異点を通過する付近（x ≈ 0.15付近）に量子臨界点が存在する場合、観測された輸送異常は説明可能か？

主な発見

• ネマチック転移温度T_Nは、純粋なFeSeでは約85 Kから、x = 0.17で約70 K、x = 0.21で約60 K、x = 0.25で約60 Kに低下し、Teドーピングに伴いネマチック秩序が抑制されることが示された。
• x > 0.17で、FeSeにおけるホール的キャリアからFeSe1-xTe xにおける電子的キャリアへの明確な反転が、ホール効果および磁場輸送解析により確認された。
• x = 0.17, 0.21, 0.25のFeSe1-xTe xでは、elastoresistivity係数C^ELが負の符号を示し、これはGe や Si などの電子ドープ系に特徴的な負のelastoresistanceを示している。
• x = 0.17の場合、三バンドフィットによりn_h = 11.5×10^19 cm⁻³（μ_h = 303 cm²/Vs）、n_e1 = 11.9×10^19 cm⁻³（μ_e1 = 343 cm²/Vs）、n_e2 = 0.32×10^19 cm⁻³（μ_e2 = 1830 cm²/Vs）が得られた。
• x = 0.21の場合、フィットによりn_h = 13.3×10^19 cm⁻³（μ_h = 152 cm²/Vs）、n_e1 = 14.7×10^19 cm⁻³（μ_e1 = 163 cm²/Vs）、n_e2 = 0.11×10^19 cm⁻³（μ_e2 = 890 cm²/Vs）が得られ、電子優位性が確認された。
• 全キャリア濃度n_∑の局所的最小値がT_Nの局所的最大値と一致しており、ネマチック転移の電子的起源を支持する。