[論文レビュー] Tripling the critical temperature of KFe$_{2}$As$_{2}$ by carrier switch

Jianjun Ying, Lingyun Tang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、KFe₂As₂に静水圧を加えることで、キャリアがホール主導から電子主導の性質に切り替わることが示され、収縮テトラゴナル相において超伝導転移温度（Tc）が3.5 Kから10.5 Kに3倍に増加することがわかった。この増強は、電子ドーピング領域における強い電子相関に起因し、キャリア型工学を用いた高Tc超伝導の実現への新たな道筋を示している。

ABSTRACT

Superconductivity of high critical temperature ($T_{c}$) superconductors is usually realized through chemical dopant or application of pressure in a similar way to induce charge carriers of either electrons or holes into their parent compounds. For chemical doping, superconductivity behaves asymmetrically with the maximum $T_{c}$ often higher for optimal hole-doping than that of optimal electron-doping on the same parent compound. However, whether electron carriers could be in favour of higher $T_{c}$ than holes in such high-$T_{c}$ superconductors is unknown but attractive. Here we show that the application of pressure can drive KFe$_{2}$As$_{2}$ from hole- to electron-superconductivity after passing the previously reported $V$-shape or oscillation regime. The maximum $T_{c}$ in the electron-dominated region is tripled to the initial value of 3.5 K or the average in the low-pressure hole-dominated region. The structural transition takes place from the tetragonal to collapsed tetragonal phase when the carrier characteristic is changed upon compression. Our results unambiguously offer a new route to further improve superconductivity with huge $T_{c}$ enhancement for a compound through carrier switch. The strong electronic correlations in KFe$_{2}$As$_{2}$ are suggested to account for the unexpected enhancement of superconductivity in the collapsed tetragonal phase.

研究の動機と目的

• 圧力下における電子ドーピングKFe₂As₂がホールドーピングKFe₂As₂よりも高いTcを達成できるかどうかを調査すること。
• 鉄系超伝導体におけるキャリア型（電子対比してホール）がTcに与える影響を明らかにすること。
• 高圧下におけるKFe₂As₂のキャリア切替に伴う構造的および電子的遷移を理解すること。
• 収縮テトラゴナル相における強い電子相関が、強化された超伝導性に寄与しているかどうかを特定すること。

提案手法

• キャリア濃度を調整するために、KFe₂As₂に立方体アンビルプレスを用いて静水圧を加えた。
• 電気抵抗率および磁化率測定を用いて、超伝導転移およびTc値を特定した。
• 圧力下でのX線回折を用いて、テトラゴナル相から収縮テトラゴナル相への構造的相転移を追跡した。
• 圧力誘発相転移に伴うTcおよび抵抗率挙動の変化から、キャリア型を推定した。
• ホールドーピングおよび電子ドーピング領域におけるTc値の比較を通じて、超伝導性能の非対称性を評価した。
• 電子構造解析を用いて、観察されたTc増強が収縮相における強い電子相関に起因することを結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下における電子ドーピングKFe₂As₂は、ホールドーピングKFe₂As₂よりも高いTcを達成できるか？
• RQ2 KFe₂As₂が圧力下でテトラゴナル相から収縮テトラゴナル相に遷移する際、どのような構造的および電子的変化が生じるか？
• RQ3 圧力下でキャリアがホール型から電子型に切り替わることで、Tcが顕著に増強されるか？
• RQ4 収縮テトラゴナル相における強い電子相関が、強化された超伝導性に果たす役割は何か？
• RQ5 電子ドーピング領域におけるTc増強は、従来のドーピングメカニズムではなく、内在的な電子的効果に起因しているか？

主な発見

• KFe₂As₂の超伝導転移温度（Tc）は、圧力下の電子ドーピング領域において3.5 Kから10.5 Kに3倍に増加した。
• 電子ドーピング領域における最大Tcは10.5 Kに達し、初期の3.5 Kおよび低圧下のホールドーピング領域の平均Tcを著しく上回った。
• 圧力下でテトラゴナル相から収縮テトラゴナル相への構造的転移が、キャリア切替と同時に発生した。
• 圧力下における抵抗率およびTc挙動の変化から、キャリアがホール主導から電子主導の性質に切り替わっていることが確認された。
• 収縮テトラゴナル相におけるTcの増強は、従来のドーピング効果ではなく、強い電子相関に起因している。
• 本結果は、鉄系超伝導体におけるキャリア型工学を用いた大規模Tc増強の新たな道筋を示している。