[論文レビュー] Structure determination and coexistence of superconductivity and antiferromagnetic order in (Li0.8Fe0.2)OHFeSe

X. F. Lu, N. Z. Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 15被引用数 168

ひとこと要約

本研究では、新規な水熱法を用いて酸素に安定した (Li0.8Fe0.2)OHFeSe の合成に成功し、約 40 K で超伝導を示した。X線回折および中性子粉末回折に加え、核磁気共鳴（NMR）を併用することで、結晶構造を明確に特定し、超伝導と反強磁性秩序の共存を実証した。本成果は、鉄系超伝導体のメカニズム解明に安定したプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

FeSe-derived superconductors show some unique behaviors relative to iron-pnictide superconductors, which are very helpful to understand the mechanism of superconductivity in high-Tc iron-based superconductors. The low-energy electronic structure of the heavily electron-doped AxFe2Se2 (A=K, Rb, Cs) demonstrates that interband scattering or Fermi surface nesting is not a necessary ingredient for the unconventional superconductivity in iron-based superconductors. The superconducting transition temperature (Tc) in the one-unit-cell FeSe on SrTiO3 substrate can reach as high as ~65 K, largely transcending the bulk Tc of all known iron-based superconductors. However, in the case of AxFe2Se2, the inter-grown antiferromagnetic insulating phase makes it difficult to study the underlying physics. Superconductors of alkali metal ions and NH3 molecules or organic-molecules intercalated FeSe and single layer or thin film FeSe on SrTiO3 substrate are extremely air-sensitive, which prevents the further investigation of their physical properties. Therefore, it is urgent to find a stable and accessible FeSe-derived superconductor for physical property measurements so as to study the underlying mechanism of superconductivity. Here, we report the air-stable superconductor (Li0.8Fe0.2)OHFeSe with high temperature superconductivity at ~40 K synthesized by a novel hydrothermal method. The crystal structure is unambiguously determined by the combination of X-ray and neutron powder diffraction and nuclear magnetic resonance. It is also found that an antiferromagnetic order coexists with superconductivity in such new FeSe-derived superconductor. This novel synthetic route opens a new avenue for exploring other superconductors in the related systems. The combination of different structure characterization techniques helps to complementarily determine and understand the details of the complicated structures.

研究の動機と目的

• 既存の系における空気感応性および相の不相容性を克服し、物理的性質測定に適した安定的かつ容易に入手可能な FeSe を基にした超伝導体の開発。
• 補完的で高精度な回折および分光技術を用いて、(Li0.8Fe0.2)OHFeSe の正確な結晶構造を同定すること。
• 本新規超伝導体における超伝導と磁気秩序の共存を調査すること。
• 関連する FeSe を基にした材料を探索するための新規な合成経路の確立。

提案手法

• 空気安定な (Li0.8Fe0.2)OHFeSe の単相試料を合成するために、新規な水熱法を採用。
• 高精度な結晶構造の決定のため、X線粉末回折（XRD）および中性子粉末回折（NPD）を用いる。
• 局所的な電子的および磁気的環境を調査するために、核磁気共鳴（NMR）分光法を適用。
• XRD、NPD、NMRのデータを統合し、包括的かつ明確な構造決定を達成。
• 電気抵抗率および磁化率の測定により、超伝導転移温度（Tc）を確認。
• 磁気データの解析により、反強磁性秩序の存在およびその性質を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定的で空気感応性のない FeSe を基にした超伝導体を合成可能か。そのような材料が物理的性質測定に有用であるか。
• RQ2 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe の正確な結晶構造は何か。他の FeSe を基にした相と比べてどのような相違を示すか。
• RQ3 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe において反強磁性秩序が超伝導と共存するか。その条件は何か。
• RQ4 XRD、NPD、NMR の併用により、複雑で不規則な系の正確な構造的特徴をどのように特定できるか。

主な発見

• 新規な水熱法により、単相で空気安定な (Li0.8Fe0.2)OHFeSe が合成に成功し、超伝導転移温度（Tc）は約 40 K であった。
• X線回折および中性子粉末回折により、結晶構造が明確に特定され、OH と Li/Fe が明確に分離された層状テトラゴナル構造であることが判明した。
• NMR測定により、局所的な磁気秩序の存在が確認され、反強磁性秩序と超伝導の共存が示された。
• 磁化率および抵抗率の測定から、約 40 K で明確な超伝導転移が観察され、競合相の痕跡は認められなかった。
• XRD、NPD、NMR のデータ統合により、複雑で不規則な系における曖昧さを解消する補完的で包括的な構造的知見が得られた。
• 本系における超伝導と反強磁性秩序の共存は、電子的相の複雑な相互作用を示しており、高 Tc 鉄系超伝導体のメカニズムに重要な示唆を与える。