[論文レビュー] Phase Diagram and High Temperature Superconductivity at 65 K in Tuning Carrier Concentration of Single-Layer FeSe Films

Shaolong He, Jun-Feng He+22 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用数 404

ひとこと要約

本研究では、真空アニーリングを用いて単層FeSe薄膜のキャリア濃度を連続的にチューニングすることに成功し、65 ± 5 Kという記録的な高い超伝導転移温度を達成した。この手法により、競合するN相とS相を有する相図が得られ、BCSに類似たギャップを示す強相関超伝導性が明らかになった。これは、鉄系超伝導体の記録を上回るTcを示す。

ABSTRACT

Superconductivity in the cuprate superconductors and the Fe-based superconductors is realized by doping the parent compound with charge carriers, or by application of high pressure, to suppress the antiferromagnetic state. Such a rich phase diagram is important in understanding superconductivity mechanism and other physics in the Cu- and Fe-based high temperature superconductors. In this paper, we report a phase diagram in the single-layer FeSe films grown on SrTiO3 substrate by an annealing procedure to tune the charge carrier concentration over a wide range. A dramatic change of the band structure and Fermi surface is observed, with two distinct phases identified that are competing during the annealing process. Superconductivity with a record high transition temperature (Tc) at ~65 K is realized by optimizing the annealing process. The wide tunability of the system across different phases, and its high-Tc, make the single-layer FeSe film ideal not only to investigate the superconductivity physics and mechanism, but also to study novel quantum phenomena and for potential applications.

研究の動機と目的

• キャリア濃度を変化させることで、単層FeSe薄膜の電子状態および超伝導性のチューナビリティを調査すること。
• 化学ドーピングを用いずに、非侵襲的な熱アニーリングプロセスによって高Tc超伝導性を達成できるかどうかを検証すること。
• FeSe/SrTiO3界面が高Tc超伝導性をどのように可能にするかを調査すること。
• 他の鉄系超伝導体および銅酸化物超伝導体で観察されるドーピング依存の相転移と類似した、単層FeSeの相図を構築すること。
• 高Tcメカニズムの研究および量子デバイス用ヘテロ構造の設計のためのプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 真空下でSrTiO3基板上に成長した単層FeSe薄膜を、温度と時間の増加に伴いアニーリングしてキャリア濃度をチューニングする。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、バンド構造、フェルミ面、超伝導ギャップの変化をリアルタイムで追跡する。
• 温度依存のARPESスペクトルを測定し、ギャップの閉じる温度からTcを推定する。
• ピークの鋭さと強度の変化をモニタリングすることで、最適なアニーリング条件を特定する。
• ARPESデータをSTM/STS測定結果および理論的予測と比較し、超伝導的挙動の妥当性を確認する。
• 観察された電子状態の変化と超伝導転移に基づいて、相図を模式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層FeSeにおける超伝導性は、化学的でない熱アニーリングプロセスによってチューニング可能か？
• RQ2 単層FeSe薄膜で達成可能な最大Tcはどの程度であり、バルクFeSeや他の鉄系超伝導体と比較してどうなるか？
• RQ3 アニーリング中にN相とS相の間で電子状態がどのように変化するか。これは、競合する秩序の存在を示唆するか？
• RQ4 ARPESで観察されたギャップは、BCSに類似た超伝導性か、準ギャップ状態の特徴か？
• RQ5 SrTiO3基板は、単層FeSeにおける高Tc超伝導性の出現にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 最適化された真空アニーリングにより、単層FeSe薄膜で65 ± 5 Kという記録的な超伝導転移温度が達成された。
• ARPESで測定された超伝導ギャップは約19 meVであり、STM/STS測定で得られた20 meVとよく一致した。
• 比値2Δ/kBTcは6–7の範囲にあり、強相関超伝導性を示している。
• ARPESデータはギャップの温度依存性がほぼBCSに類似しており、準ギャップ状態由来ではないことを示した。
• 電子状態はN相からS相へ顕著に変化し、アニーリング中に二つの異なる相の明確な競合が観察された。
• 長時間のアニーリングにより試料の品質が劣化し、ピークの幅が広がり、信号強度が低下したため、さらなるドーピング最適化が制限された。