[論文レビュー] Reversibly tuning the insulating and superconducting state in KxFe2-ySe2 crystals by post-annealing

Fei Han, Bing Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2011

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

ひとこと要約

本研究では、後処理焼鈍および急速冷却によって、KxFe2-ySe2単結晶における絶縁状態と超伝導状態の間で逆転可能なチューニングを実証した。超伝導性は鉄空位が無秩序である場合に現れるが、緩やかな冷却または室温での保持により空位の秩序化が生じ、絶縁状態に移行する。化学組成に顕著な変化がないことから、電子的相転移は空位の秩序-無秩序ダイナミクスによって駆動されていることが示唆される。

ABSTRACT

Since the discovery of superconductivity at 26 K in oxy-pnictide LaFeAsO1-xFx, enormous interests have been stimulated in the field of condensed matter physics and material sciences. Among the many kind of structures in the iron pnictide superconductors, FeSe with the PbO structure has received special attention since there is not poisonous pnictogen element in chemical composition and its structure is the simplest one. However, the superconducting transition temperature (Tc) in iron chalcogenide compounds is not enhanced as high as other iron pnictide superconductors under ambient pressure until the superconductivity at above 30 K in potassium intercalated iron selenide KxFe2-ySe2 was discovered. The insulating and the superconducting state are both observed in KxFe2-ySe2 with different stoichiometries and some groups have tuned the system from insulating to superconducting state by varying the ratio of starting materials[10, 11]. The recent data from neutron scattering suggest that the superconductivity may be built upon an ordered state of Fe vacancies as well as the antiferromagnetic state with a very strong ordered magnetic moment 3.4 B. Here we show that the superconductivity can actually be tuned on a single sample directly from an insulating state by post-annealing and fast quenching. Upon waiting for some days at room temperatures, the superconductivity will disappear and the resistivity exhibits an insulating behavior again. The spatial distribution of the compositions of the as-grown sample and the post-annealed-quenched one was analyzed by the Energy Dispersive X-ray Spectrum (EDXS) and found to be very close to each other. Therefore it is tempting to conclude that the superconductivity is achieved when the Fe-vacancies are in a random (disordered) state. Once they arrange in an ordered state by relaxation or slow cooling, the system turns out to be an insulator.

研究の動機と目的

• KxFe2-ySe2結晶における電子的相転移の可逆性を調査すること。
• 化学 stoichiometry を変化させずに超伝導性をチューニングできるかどうかを特定すること。
• 鉄空位の秩序化が絶縁的挙動と超伝導的挙動をどのように駆動するかを調査すること。
• 熱処理を用いて単一結晶上で絶縁状態と超伝導状態の間を動的かつ可逆的にスイッチする仕組みを確立すること。

提案手法

• 600 °Cで高温でKxFe2-ySe2結晶を焼鈍し、その後室温へ急速冷却する。
• 電気抵抗率の測定により、絶縁状態と超伝導状態の間の遷移を追跡する。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDXS）を用いて、生育後と後処理後のサンプル間で組成変化が最小限であることを確認する。
• 室温での抵抗率の時間変化をモニタリングし、超伝導的挙動から絶縁的挙動への自発的遷移を観察する。
• 中性子回折データと比較し、絶縁状態において強い磁気モーメント（3.4 μB）と鉄空位の秩序化が示唆されていることを見る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KxFe2-ySe2における超伝導状態を熱処理によって逆転可能に絶縁状態に切り替えられるか？
• RQ2 超伝導状態と絶縁状態の間の遷移には化学組成の変化が関与するか？
• RQ3 KxFe2-ySe2における電子的相転移は、鉄空位の秩序化か無秩序化によって駆動されるか？
• RQ4 緩やかな冷却または室温での長時間保持が、なぜ絶縁的挙動を誘発するのか？

主な発見

• 600 °Cで焼鈍し、その後急速冷却することで、KxFe2-ySe2結晶にTc ≈ 30 Kの超伝導状態が誘導された。
• 長時間室温で保存した結果、抵抗率が上昇し、超伝導転移が消失した。これは、超伝導状態から逆転的に絶縁状態への遷移を示している。
• EDXS分析により、後処理後の鉄空位濃度がほとんど変化していないことが確認され、相転移の原因が組成変化ではないことが排除された。
• 絶縁状態は長距離的な鉄空位の秩序化に関連しており、超伝導状態は空位が無秩序（ランダム）に分布していることと相関していた。
• 化学的修飾なしに、単一結晶上で超伝導状態と絶縁状態の間を熱的駆動で可逆的に遷移する系が実現された。