[論文レビュー] The pseudogap behavior in the stoichiometric FeSe superconductor (Tc~9.4 K)

Yoo Jang Song, Jong Beom Hong+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、抵抗率曲率マッピング、ゼーベック係数、磁気抵抗測定を用いて、ストイキオメトリックなFeSe（Tc ≈ 9.4 K）における擬似ギャップ様の挙動を報告している。特徴的なエネルギースケールT* ≈ 110 Kが特定された。本研究では、FeSeがT*近辺で複数の電子的非摂動を示すことが示されており、特に30 K近辺で抵抗率およびゼーベック係数の2階微分の符号変化が観測され、単純な鉄 chalcogenide 系においても超伝導と関連する複雑な多体効果が存在することを示唆している。

ABSTRACT

This paper reports the synthesis and superconducting behaviors of the tetragonal iron-chalcogenide superconductor FeSe. The electrical resistivity and magnetic moment measurements confirmed its superconductivity with a $T_c^{zero}$ and $T_c^{mag}$ at 9.4 K under ambient pressure. EPMA indicated the sample to have a stoichiometric Fe:Se ratio of 1:1 ($\pm$0.02). The Seebeck coefficient which was 12.3 $μ$V/K at room temperature, changed to a negative value near 200 K, indicating it to be a two carriers material. Above $T_c$, the $ρ(T)$ curve revealed an 'S' shape. Hence $dρ(T)/dT$, and $d^2ρ(T)/dT^2$ showed pseudogap-like behavior at $T^*$=110 K according to the resistivity curvature mapping (RCM) method for high $T_c$ cuprates. Moreover, the magnetoresistance $ρ_H(T)/ρ_{H=0}$ under a magnetic field and the Seebeck coefficient $S(T)$ revealed revealed pseudogap-like behavior near $T^*$. Interestingly, at the same temperature, 30 K, the sign of $S(T)$ and all signs of $d^2ρ(T)/dT^2$ changed from negative to positive above $T_c$.

研究の動機と目的

• ストイキオメトリックなFeSe（Fe:Se = 1:1）でTc ≈ 9.4 Kを示す系の電子的挙動を、Tcを超える非超伝導的非摂動に焦点を当てて調査すること。
• 高Tc酸化銅酸化物で観測されたように、擬似ギャップ様の挙動が単純な鉄 chalcogenide のFeSeにも現れるかどうかを同定すること。
• 30 Kおよび110 K近辺で観測されるゼーベック係数および抵抗率曲率の異常な符号変化の起源を解明すること。
• 輸送、熱電気的、磁気的応答を相関させることで、クリーンでストイキオメトリックなFeSe系における電子的不安定性を同定すること。
• 多結晶FeSeの臨界電流密度（Jc）を測定・分析し、実用的応用の可能性を評価すること。

提案手法

• 標品のFe:Se比が1:1.15となるように、Se自己フラックス法を用いてストイキオメトリックなFeSeを合成し、電子プローブマイクロアナリシス（EPMA）によりFe:Se = 1:1 ± 0.02であることを確認した。
• 4 Kから200 Kの温度範囲で、ゼロおよび印加磁場（1–9 T）下で四端子法を用いて抵抗率を測定し、抵抗率曲率マッピング（RCM）を用いて擬似ギャップ様特徴を検出する解析を実施した。
• 4 Kから300 Kの範囲でゼーベック係数（S）を測定し、キャリアの種別および密度の変化を調査した。特に200 Kおよび30 K近辺での符号反転に注目した。
• MPMSを用いて磁化測定を実施し、ゼロ場冷却からのTc（Tc^mag = 9.4 K）を決定するとともに、M-Hヒステリシスループからビーンモデルを用いて臨界電流密度（Jc）を抽出した。
• 高Tc酸化銅酸化物に最初に開発されたRCM法を応用し、d²ρ/dT²の符号変化が観測されるT* ≈ 110 Kが、擬似ギャップ様の挙動を示す特徴的な温度として特定された。
• 磁場依存抵抗率ρH(T)/ρH=0を分析し、T*近辺で散乱が抑制される擬似ギャップ様の挙動を検出することができた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 抵抗率曲率マッピングによる示唆から、高Tc酸化銅酸化物と同様に、Tcを超えるFeSeが擬似ギャップ様の挙動を示すか？
• RQ2 ストイキオメトリックなFeSeにおいて、200 Kおよび30 K近辺で観測されるゼーベック係数の符号変化の起源は何か？
• RQ3 RCM法により特定されたT* ≈ 110 Kが、抵抗率、磁気抵抗、ゼーベック係数といった複数の測定プローブで一貫して確認されるか？
• RQ4 多結晶FeSeの臨界電流密度（Jc）は、他の鉄系超伝導体と比較してどうなっており、微細構造およびピンナップの性質を何を示唆しているか？

主な発見

• Fe:Se = 1:1 ± 0.02のストイキオメトリックなFeSeが正常に合成され、抵抗率ゼロのTc = 9.4 Kおよび磁化転移温度Tc^mag = 9.4 Kが観測された。
• Tcを超える抵抗率曲線は「S」字型を示し、RCM解析によりT* ≈ 110 Kで擬似ギャップ様の特徴が特定された。これはd²ρ/dT²の符号変化によって示された。
• ゼーベック係数（S）は室温で正（12.3 μV/K）であり、200 K近辺で符号反転し、115 K近辺で負の最大値を示した。これは2キャリア伝導を示唆している。
• d²ρ/dT²およびS(T)の両方が、30 K近辺で負から正への符号変化を示した。これはTcを超える領域で報告されたことのない異常な現象であった。
• 磁気抵抗ρH(T)/ρH=0およびゼーベック係数S(T)の両方が、T* ≈ 110 K近辺で擬似ギャップ様の抑制を示し、複数の測定プローブ間での一貫性が確認された。
• 臨界電流密度（Jc）はゼロ磁場下で10²–10⁴ A/cm²と測定され、結晶粒界の散乱およびキャリア濃度の低さに起因する中程度の性能であると示された。