[論文レビュー] Non-Fermi liquid behavior of electrical resistivity close to the nematic critical point in Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$

Takahiro Urata, Yoichi Tanabe+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、ネーマティック量子臨界点（QCP）近くのFe₁₋ₓCoₓSeおよびFeSe₁₋ᵧSᵧ単結晶における非フェルミ液体（nFL）抵抗率挙動を調査する。温度および磁場依存の抵抗率測定を用いて、FeSe₁₋ᵧSᵧ（y = 0.160）でT線形抵抗率が確認され、強いネーマティック量子臨界フラクチュエーションを示す。一方、より高いドーピング（y = 0.212）では、10 K未満でフェルミ液体的T²挙動へのクロスオーバーが観察され、y = 0.160付近にネーマティックQCPが存在することが確認される。

ABSTRACT

Temperature dependence of resistivity of single crystals of Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$ is studied in detail under zero and high magnetic field (magnetoresistance), the latter of which enables to monitor the temperature ($T$) evolution of resistivity below the onset of superconducting transition temperature ($T_{ m c}$). In FeSe$_{1-y}$S$_y$, $T$-linear dependence of resistivity is prominent in $y$ = 0.160 below 40 K, whereas it changes to a Fermi-liquid(FL)-like $T^2$ one below 10 K in $y$ = 0.212. These suggest that the quantum critical point (QCP) originating from the electronic nematicity resides around $y$ = 0.160 and the fluctuation in QCP gives rise anomalous $T$-linear dependence in resistivity in a wide $T$ range. In Fe$_{1-x}$Co$_x$Se, resistivity gradually changes from linear- to quadratic- $T$-dependent one at low temperatures in the range between $x$ = 0.036 and 0.075. These could be interpreted by scenarios of both the nematic QCP and the crossover in the ground states between the orthorhombic nematic phase and the tetragonal phase. The anomalies found as $T$-linear resistivity are discussed in terms of orbital and spin fluctuation arising from the nematic QCP.

研究の動機と目的

• ネーマティック量子臨界点（QCP）近くのFe₁₋ₓCoₓSeおよびFeSe₁₋ᵧSᵧにおける非フェルミ液体（nFL）抵抗率挙動の特定。
• 通常状態における異常なT線形抵抗率を駆動するネーマティック量子臨界フラクチュエーションの役割の特定。
• ネーマティックQCP効果と従来のフェルミ液体挙動を区別することにより、抵抗率異常発生の起源の解明。
• ドーピングおよび温度依存の抵抗率の変化を通じて、正方晶ネーマティック相とテトラゴナル相の間のクロスオーバーの解明。
• FeSeベース系において、ネーマティックQCP近くのnFL挙動を支配する主因が軌道フラクチュエーションかスピンフラクチュエーションかの評価。

提案手法

• Fe₁₋ₓCoₓSe（x = 0–0.08）およびFeSe₁₋ᵧSᵧ（y = 0–0.21）の高品質単結晶を溶融塩フラックス法で成長させた。
• 磁場最大18 Tの範囲で、標準4端子法を用いて温度依存抵抗率、磁気抵抗率（MR）、ホール抵抗率を測定した。
• 内在的な電子的応答を分離するために、MRおよび抵抗率データをゼロ磁場に外挿し、通常状態抵抗率を抽出した。
• 抵抗率の温度依存性を、累乗則フィット ρ(T) ∝ T^γ を用いて分析し、γがnFL（γ ≈ 1）かFL（γ ≈ 2）かを特定した。
• 結晶の品質および正確な化学 stoichiometry を確認するために、X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いた。
• ネーマティックQCPは、T線形抵抗率が広い温度範囲にわたり持続するドーピング（FeSe₁₋ᵧSᵧにおけるy ≈ 0.160）を特定することで特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSe₁₋ᵧSᵧにおいて、ネーマティック量子臨界点近傍に、T線形依存の非フェルミ液体的抵抗率が出現するか？
• RQ2 Fe₁₋ₓCoₓSeにおける抵抗率の変化は、ネーマティック相とテトラゴナル相の間のクロスオーバーをどのように反映するか？
• RQ3 T線形抵抗率の起源は、軌道フラクチュエーション、スピンフラクチュエーション、それともネーマティック量子臨界性か？
• RQ4 ドーピングに伴う抵抗率挙動の変化は、量子臨界点の性質に何を示唆するか？
• RQ5 観察された抵抗率異常は、多バンドフェルミ液体効果と区別可能か？

主な発見

• FeSe₁₋ᵧSᵧでは、y = 0.160で40 K未満で顕著なT線形抵抗率（γ ≈ 1）が観察され、強いネーマティック量子臨界フラクチュエーションを示す。
• より高いドーピング（y = 0.212）では、10 K未満で抵抗率がフェルミ液体的T²依存に移行し、nFLからFL挙動へのクロスオーバーが示唆される。
• ネーマティック量子臨界点（QCP）は、FeSe₁₋ᵧSᵧにおいてy ≈ 0.160付近に位置し、nFL抵抗率が最大に強化される。
• Fe₁₋ₓCoₓSeでは、x = 0.036からx = 0.075の間で抵抗率がT線形からT²的挙動に変化し、nFLからFL状態へのクロスオーバーが示唆される。
• 観察された抵抗率異常は、通常の多バンド効果とは異なり、ネーマティック秩序に関連する量子臨界フラクチュエーションに起因するとされる。
• 結果は、特にy = 0.160付近のFeSe₁₋ᵧSᵧにおいて、ネーマティックQCP近くの軌道およびスピンフラクチュエーションが非フェルミ液体的抵抗率を駆動するというシナリオを支持する。