[論文レビュー] Superconducting properties of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ under pressure

Vadim Grinenko, W. Schottenhamel+19 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2014

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、静水圧およびNaドーピング下でのK₁₋ₓNaₓFe₂As₂の超伝導状態および常態特性を調査する。Na置換は、準粒子質量が著しく異なる複数バンド効果に起因する非フェルミ液体的抵抗率行動を誘発するが、Tcの抑制は主に不純度由来の対対破壊に起因し、格子圧縮によるものではない。Tcの圧力依存性は約2 GPaで浅い最小値を示し、これは対称性の変化を伴わないxz+yz由来バンドの非単調な状態密度に起因する。

ABSTRACT

The effect of hydrostatic pressure and partial Na substitution on the normal-state properties and the superconducting transition temperature ($T_c$) of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ single crystals were investigated. It was found that a partial Na substitution leads to a deviation from the standard $T^2$ Fermi-liquid behavior in the temperature dependence of the normal-state resistivity. It was demonstrated that non-Fermi liquid like behavior of the resistivity for K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ and some KFe$_2$As$_2$ samples can be explained by disorder effect in the multiband system with rather different quasiparticle effective masses. Concerning the superconducting state our data support the presence of a shallow minimum around 2 GPa in the pressure dependence of $T_c$ for stoichiometric KFe$_2$As$_2$. The analysis of $T_c$ in the K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ at pressures below 1.5 GPa showed, that the reduction of $T_c$ with Na substitution follows the Abrikosov-Gor'kov law with the critical temperature $T_{c0}$ of the clean system (without pair-breaking) which linearly depends on the pressure. Our observations, also, suggest that $T_c$ of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ is nearly independent of the lattice compression produced by the Na substitution. Further, we theoretically analyzed the behavior of the band structure under pressure within the generalized gradient approximation (GGA). A qualitative agreement between the calculated and the recently in de Haas-van Alphen experiments [T. Terashima et al., Phys.Rev.B89, 134520(2014)] measured pressure dependencies of the Fermi-surface cross-sections has been found. These calculations, also, indicate that the observed minimum around 2~GPa in the pressure dependence of $T_c$ may occur without a change of the pairing symmetry.

研究の動機と目的

• K₁₋ₓNaₓFe₂As₂単結晶における超伝導転移温度（Tc）および常態抵抗率に及ぼす静水圧およびNa置換の影響を理解すること。
• Naドーピングによる格子圧縮がTcに顕著に影響を及ぼすか、それともTc抑制が主に電子的不純度（対対破壊）に起因するかを特定すること。
• 観察された非フェルミ液体的抵抗率および圧力下での非単調Tcに寄与する電子相関およびフェルミ面トポロジーの役割を評価すること。
• 化学的ドーピングおよび静水圧の併存下でのTc抑制を記述するアブリコソフ＝ゴルコフ理論の妥当性を検証すること。
• 理論的バンド構造計算（GGA）とde Haas-van Alphen測定結果を比較し、約2 GPaにおけるTc最小値の起源を解明すること。

提案手法

• 立方体アンビルプレスを用いて、K₁₋ₓNaₓFe₂As₂単結晶に対して最大3 GPaまでの高圧抵抗率および磁気抵抗率測定を実施した。
• 常態抵抗率を解析して輸送係数を抽出し、T²フェルミ液体的挙動からの逸脱を特定した。
• アブリコソフ＝ゴルコフ理論を用いて、クリーン限界における圧力依存Tc0(P)を用い、Na含有量に伴うTc抑制をスケーリングした。
• 一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、フェルミ面断面および有効質量を計算した。
• Terashimaら（2014年）の実験データと理論的dHvA周波数および有効質量を比較し、バンド構造予測の妥当性を検証した。
• 全状態密度（TDOS）およびxz+yz由来バンドの部分状態密度の圧力依存性を評価し、Tc抑制におけるその寄与を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂におけるNa置換は非フェルミ液体的抵抗率を誘発するか？ もし誘発されるならば、その微視的起源は何か？
• RQ2 NaドーピングによるTc抑制は、主に格子圧縮に起因するのか、それとも電子的不純度（対対破壊）に起因するのか？
• RQ3 圧力下で観察された約2 GPaにおけるTcの最小値は、ライフシッツ遷移または対称性の変化に起因するのか？
• RQ4 GGAにより計算されたフェルミ面断面および有効質量は、de Haas-van Alphen実験とどの程度一致するか？
• RQ5 Tcの圧力およびドーピング依存性は、アブリコソフ＝ゴルコフスケーリング則によって普遍的に記述可能であり、共通の対称性を示唆するか？

主な発見

• Na置換によりT²抵抗率挙動からの逸脱が生じ、これは内在的な非フェルミ液体的物理ではなく、準粒子有効質量が著しく異なる複数バンド効果に起因する。
• NaドーピングによるTc抑制はアブリコソフ＝ゴルコフ則に従い、主に不純度由来の対対破壊が支配的であることが確認された。
• 約2 GPaにおけるTc最小値は、対称性の変化とは関係がなく、xz+yz由来バンドにおける非単調な部分状態密度がGGA計算により裏付けられた。
• GGA計算はフェルミ面断面についてde Haas-van Alphen実験と定性的に一致するが、有効質量は低く見積もられており、強い電子相関が示唆される。
• フェルミ準位における全状態密度は3 GPaまで15%未満の変化に留まり、輸送測定では微小なDOS変化は検出できない。これは、ほぼ圧力依存性のないホール係数および残留抵抗率と整合的である。
• CsFe₂As₂のTcの圧力依存性は、K₁₋ₓNaₓFe₂As₂と同一のアブリコソフ＝ゴルコフスケーリング曲線に重畳され、122-122系において共通の対称性が存在することを示唆している。