[論文レビュー] Superconductivity tuned by the iron vacancy order in K$_{\bf x}$Fe$_{\bf 2-y}$Se$_2$

Wei Bao, Guangfu Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$における基底状態として$√{5}\times√{5}$鉄空位秩序が特定され、この秩序が顕著に発達した場合にのみ超伝導性が現れ、絶縁体から金属への転移が可能となり、その後$T_c \approx 30$ Kの超伝導性が現れる。空位秩序の度合いは、$I4/m$構造におけるFe2/Fe1比で定量化され、金属的および超伝導的挙動を制御する主要なパラメータである。

ABSTRACT

Combining in-depth neutron diffraction and systematic bulk studies, we discover that the $\sqrt{5} imes\sqrt{5}$ Fe vacancy order with its associated block antiferromagnetic order is the ground state, with varying occupancy ratio of the iron 16i and vacancy 4d sites, across the phase-diagram of K$_{\bf x}$Fe$_{\bf 2-y}$Se$_2$. The orthorhombic order with one of the four Fe sites vacant appears only at intermediate temperature as a competing phase. The material experiences an insulator to metal crossover when the $\sqrt{5} imes\sqrt{5}$ order has highly developed. Superconductivity occurs in such a metallic phase.

研究の動機と目的

• K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$の相図全域における基底状態の構造的および磁気的秩序を特定すること。
• 特に誤って特定されたネール転移に関する長年の混乱を解消すること。
• Fe空位秩序の度合いと超伝導性の出現との関係を確立すること。
• Fe酸化状態および空位占有度が電子的性質をどのように調整するかを明確にすること。
• 中性子回折およびバルク測定に基づいて、K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$の包括的な相図を構築すること。

提案手法

• NCNRのBT-1回折計を用いて、K$_{0.99}$Fe$_{1.48}$Se$_2$の高分解能中性子粉末回折を実施し、波長$\lambda = 1.5403$および$2.0783$ \AA。
• GSASソフトウェアを用いて核および磁気構造を精製し、Fe不純物および空位サイト占有度を考慮した。
• 4–300 Kの温度範囲でPPMSおよびオーブン搭載システムを用いて抵抗率および磁化率測定を実施し、最大500 Kまで測定を拡張。
• 誘導結合プラズマ（ICP）および中性子回折を用いて、KおよびFeの化学 stoichiometry を高精度に決定。
• 構造的転移（例：$I4/mmm \to I4/m \to Pmna$）と電子的および磁気的応答を相関させることで相図をマッピング。
• 温度依存のブラaggピークの変化を分析し、空位および磁気構造の秩序パラメータの変化を追跡。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$の真の基底状態構造は何か？ また、組成および温度に応じてどのように変化するか？
• RQ2 なぜ超伝導性が$√{5}\times√{5}$Fe空位秩序が顕著に発達した場合にのみ現れるのか？
• RQ3 この系において過去に誤って特定されたネール転移の起源は何か？
• RQ4 空位秩序の度合いが絶縁体から金属への転移および超伝導転移をどのように制御するか？
• RQ5 Fe酸化状態、空位占有度、および$√{5}\times√{5}$超構造の安定性との関係は何か？

主な発見

• $√{5}\times√{5}$鉄空位秩序に加え、ブロック反強磁性秩序を持つ構造が、K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$の相図全域において真の基底状態である。
• $\sqrt{2}\times\sqrt{2}$または$2\sqrt{2}\times\sqrt{2}$超格子を有する$Pmna$正方晶相は、$T^* \approx 295$ Kより高い温度でのみ観測されるメタ安定状態の競合相である。
• K$_{0.99}$Fe$_{1.48}$Se$_2$における絶縁体的挙動は、$√{5}\times√{5}$秩序が不完全であるために生じる強力な不純物散乱に起因する。
• 金属的状態は、$√{5}\times√{5}$秩序が顕著に発達した場合にのみ現れ、抵抗率は$T \approx 100$ K付近で広い最大値を示す。
• 超伝導性は金属的状態で発現し、近似的に完全な$√{5}\times√{5}$秩序を示す試料では$T_c \approx 30$ Kが観測された。
• 磁気転移温度$T_N$は全試料で高く維持され、$T_N$および$T^*$における$\chi(T)$の急激な低下は、スピン励起スペクトルの異方性ギャップに起因する。