[論文レビュー] Observation of two distinct superconducting domes under pressure in tetragonal FeS

Jing Zhang, F. L. Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、圧力下におけるテトラゴナル相FeSにおいて、2つの異なる超伝導ドームの観察を報告している。最初のドームは4.0 GPaで抑制され、2番目のドームが出現し、Tcの最大値は30%高い。2番目のドームは、約7.0 GPaで発生するテトラゴナルからヒキシゴナルへの相転移に続く残留変形テトラゴナル相に関連しており、鉄ヒ素系超伝導体における既存の対結合メカニズムに挑戦するものである。

ABSTRACT

As the simplest iron-based superconductor, FeSe forms a tetragonal structure with transition temperature Tc ~ 8 K. With assistance of pressure, or other techniques, Tc can be greatly enhanced, even to above liquid nitrogen temperature. The newly discovered superconducting tetragonal FeS (Tc ~ 4.5 K), a sulfide counterpart of FeSe, promotes us on its high pressure investigation. The transport and structure evolution of FeS with pressure have been studied. A rapid suppression of Tc and vanishing of superconductivity at 4.0 GPa are observed, followed by a second superconducting dome with a 30% enhancement in maximum Tc. An onsite tetragonal to hexagonal phase transition occurs around 7.0 GPa, followed by a broad pressure range of phase coexistence. The residual deformed tetragonal phase is considered as the source of second superconducting dome. The observation of two superconducting domes in iron-based superconductors poses great challenges for understanding their pairing mechanism.

研究の動機と目的

• 単純な鉄ヒ素系超伝導体としてのテトラゴナル相FeSにおける圧力依存の超伝導的および構造的進化を調査すること。
• 特に2番目のドームの出現に起因する、圧力下での複数の超伝導相の起源を理解すること。
• 構造的相転移と相の共存が高Tc超伝導性の安定化に果たす役割を調査すること。
• 構造的転移後に残存するテトラゴナル相が、強化された超伝導性を示す可能性があるかどうかを特定すること。
• 2つの超伝導ドームの観察を通じて、鉄ヒ素系超伝導体における既存の対結合メカニズムに挑戦すること。

提案手法

• 12 GPaまで圧力をかけた状態で、超伝導転移温度（Tc）をマップするための静水圧下での輸送測定。
• FeSの構造的相転移を追跡するための圧力下X線回折。
• 抵抗率および磁化率データの解析により、超伝導転移と相の共存を特定。
• 構造的データを用いて、約7.0 GPaで発生するテトラゴナルからヒキシゴナルへの相転移を同定。
• 残留テトラゴナル相の割合と2番目の超伝導ドームの出現との相関関係を特定。
• 高圧相を達成および安定化するために、高圧ダイヤモンドアンビルセル技術を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テトラゴナル相FeSにおける超伝導性の圧力依存的進化は何か？
• RQ2 最初のドームが4.0 GPaで抑制された後、なぜ2番目の超伝導ドームが出現するのか？
• RQ3 テトラゴナルからヒキシゴナルへの構造的転移が超伝導特性にどのように影響するか？
• RQ4 残留変形テトラゴナル相が2番目の超伝導ドームの安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 FeSにおける相の共存が、強化された超伝導転移温度をもたらす可能性はあるか？

主な発見

• FeSにおける最初の超伝導ドームは4.0 GPaで抑制され、Tcは急激に低下する。
• 4.0 GPaを超えて2番目の超伝導ドームが出現し、最大Tcは初期のドームよりも30%高い。
• 約7.0 GPaでテトラゴナルからヒキシゴナルへの構造的相転移が発生する。
• 7.0 GPaを超えて、ヒキシゴナル相と残留テトラゴナル相の広い圧力範囲での相共存が観察される。
• 残留変形テトラゴナル相が、2番目の超伝導ドームの主な要因であると特定される。
• 鉄ヒ素系超伝導体において2つの明確な超伝導ドームが観察されたことは、現在の対結合メカニズム理論に大きな挑戦を突きつける。