[論文レビュー] Phase Diagram and Quantum Critical Point in Newly Discovered Superconductors: SmO_{1-x}F_xFeAs

R. H. Liu, Gang Wu+12 more|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、SmO₁₋ₓFₓFeAsにおけるスピン密度波（SDW）秩序の抑制と超伝導の出現を示す量子臨界点（QCP）が x ≈ 0.14 に存在することを確立した。この点で超伝導転移温度 Tc は最適ドーピング（x = 0.20）で 54 K に達する。QCP は T 線形抵抗率と顕著なホール係数の上昇によって裏付けられ、キャリア密度の低下と臨界フラクチュエーションを示しており、高温超伝導体と類似した振る舞いを示し、量子臨界定理によって駆動される非摂動的超伝導を示唆している。

ABSTRACT

The magnetic fluctuations associated with a quantum critical point (QCP) are widely believed to cause the non-Fermi liquid behaviors and unconventional superconductivities, for example, in heavy fermion systems and high temperature cuprate superconductors. Recently, superconductivity has been discovered in iron-based layered compound $LaO_{1-x}F_xFeAs$ with $T_c$=26 K\cite{yoichi}, and it competes with spin-density-wave (SDW) order\cite{dong}. Neutron diffraction shows a long-rang SDW-type antiferromagnetic (AF) order at $\sim 134$ K in LaOFeAs\cite{cruz,mcguire}. Therefore, a possible QCP and its role in this system are of great interests. Here we report the detailed phase diagram and anomalous transport properties of the new high-Tc superconductors $SmO_{1-x}F_xFeAs$ discovered by us\cite{chenxh}. It is found that superconductivity emerges at $x\sim$0.07, and optimal doping takes place in the $x\sim$0.20 sample with highest $T_c \sim $54 K. While $T_c$ increases monotonically with doping, the SDW order is rapidly suppressed, suggesting a QCP around $x \sim$0.14. As manifestations, a linear temperature dependence of the resistivity shows up at high temperatures in the $x<0.14$ regime, but at low temperatures just above $T_c$ in the $x>0.14$ regime; a drop in carrier density evidenced by a pronounced rise in Hall coefficient are observed, which mimic the high-$T_c$ cuprates. The simultaneous occurrence of order, carrier density change and criticality makes a compelling case for a quantum critical point in this system.

研究の動機と目的

• SmO₁₋ₓFₓFeAs の電子相図を描出し、ドーピング駆動の量子相転移を同定すること。
• 鉄基超伝導体におけるスピン密度波（SDW）秩序と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• 最適超伝導ドーピング付近で、非フェルミ液体的輸送が示す量子臨界定理の行動が顕在するかどうかを特定すること。
• 高温超伝導体と重フェルミオン系における輸送特性と比較すること。

提案手法

• アルゴンガスで満たされたグローブボックス内での固体反応と 1160 °C での高温アニールを用いた多結晶 SmO₁₋ₓFₓFeAs サンプル（x = 0–0.3）の合成。
• X線回折（XRD）分析により、相純度とフッ素ドーピングに伴う格子定数の変化を確認。
• 5 K から 475 K までの温度範囲で電気抵抗率とホール係数を測定し、常態輸送およびキャリア密度の変化を調査。
• 抵抗率およびホール係数の温度依存性の分析により、SDW転移および量子臨界定理に関連する異常を特定。
• 抵抗率データをべき乗則形（ρ = a + bTⁿ）にフィッティングし、ドーピングに伴う温度依存性の変化を検出。
• ホール角スケーリング（cotθH ∝ T¹·⁵）を用いて、SDWフラクチュエーションに起因する偏差を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmO₁₋ₓFₓFeAs に量子臨界点が存在するか、存在するならばどのドーピングレベルか？
• RQ2 スピン密度波（SDW）秩序の抑制と超伝導性の出現および強化との相関関係はいかなるものか？
• RQ3 T 線形抵抗率とホール係数の上昇といった輸送特性が、高温超伝導体とどの程度類似しているか？
• RQ4 最適ドーピング付近の電子相転移において、キャリア密度の変化が果たす役割は何か？
• RQ5 ホール角のスケーリング行動（cotθH ∝ T¹·⁵）は、量子臨界定理フラクチュエーションの始まりを同定するために使用可能か？

主な発見

• SmO₁₋ₓFₓFeAs における超伝導性は x ≈ 0.07 で出現し、Tc は x = 0.20 で最大の 54 K まで単調に増加する。
• スピン密度波（SDW）転移温度（Ts）は、x = 0 のとき約 148 K から x = 0.15 のとき約 130 K に低下し、フッ素ドーピングに伴い SDW 秩序が抑制されていることが示唆される。
• 抵抗率の温度依存性に、x ≈ 0.14 でクロスオーバーが観察される：この点より低いドーピングでは抵抗率は非線形な Tⁿ 依存性（n < 2）を示し、高いドーピングでは抵抗率が T に線形に依存（n = 1）するようになる。これは、量子臨界定理行動の始まりを示している。
• ホール係数は Ts で顕著に上昇し、SDW 形成に起因するキャリア密度の低下を示している。最大効果は x = 0.10 で観察され、x > 0.15 では弱まっている。
• x ≥ 0.13 の範囲で、ホール角は全温度範囲にわたり T¹·⁵ スケーリング則に従うが、Ts で正確にそのズレが観察され、これは SDW フラクチュエーションがスケーリングを抑制していることを示している。
• T 線形抵抗率、キャリア密度の低下、ホール角スケーリングの同時観測は、SDW 秩序が完全に抑制され超伝導性が支配的になる x ≈ 0.14 に量子臨界点が存在することを強く支持している。