[論文レビュー] Two new parent compounds for FeSe-based superconducting phases

Shifeng Jin, Xiaozhi Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、エチレニンジアミンをインターカレーションしたFeSeに、二つの新しい非超伝導性母相を報告している。一方は正方晶相（Naドーピング後Tc = 38 K）、他方は斜方晶相（Naドーピング後Tc = 46 K）であり、両方とも中性のスパーサー層によって安定化されている。2 Kまで長距離磁気秩序が観察されないことと、超伝導状態と非超伝導状態との間で可逆的に入れ替わる現象は、ドーピングされていない鉄触媒酸化物が、鉄pnictidesとは異なるペアリング機構を持つ量子パラ磁気的基底状態であることを示している。

ABSTRACT

It is well established that the occurrence of superconductivity in iron pnictides is closely related to the tetragonal to orthorhombic structural and antiferromagnetic (AFM) phase transitions. It, however, has not been clear whether the same scenario is appropriate for iron chalcogenide counterparts due to the absence of parent compounds for the latter family of superconductors. Here, we report the synthesis and structure determination of two novel phases in ethylenediamine intercalated FeSe, one is tetragonal and the other orthorhombic in room temperature, which can be stabilized with neutral spacer layers. Both phases can be regarded as the parent compounds for superconductivity as they are non-superconducting (non-SC) in pristine form and superconducting (SC) with Tc up to 38K and 46K, respectively after Na doping, and the switch between SC and no-SC is reversible. Moreover, the two non-SC parent compounds show no evidence of long-range magnetic ordering down to 2K, only with dynamic spin fluctuations at low temperatures, suggesting that no competition between SC and AFM ordering. Our results reveal that undoped iron selenides are quantum paramagnetic in ground state, implying that they are distinct from their pnictide counterparts in pairing mechanism.

研究の動機と目的

• FeSeベースの超伝導体の安定した母相を同定すること。これは、これまで未知であった。
• エチレニンジアミンインターカレーションFeSe相の構造的および電子的性質を調査すること。
• 鉄 chalcogenides において、鉄pnictidesと同様に、長距離反強磁性秩序が超伝導性と競合するかどうかを検証すること。
• 磁気秩序およびスピンフラクチュエーションが、FeSeベース系の超伝導メカニズムにおいて果たす役割を明確にすること。
• ドーピングおよびアンドーピングによる、非ドーピング状態における超伝導状態と非超伝導状態との間の可逆的遷移を確立すること。

提案手法

• 高圧・高温条件下でのエチレニンジアミンインターカレーションFeSe相の合成。
• X線および中性子回折を用いた構造同定により、室温での正方晶相および斜方晶相の特定。
• 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）の調査。
• 2 Kまで低下温度での磁気的特性測定により、長距離磁気秩序またはスピンフラクチュエーションの検出。
• 非超伝導母相へのNaドーピングを体系的に行い、超伝導性の誘起および可逆性の評価。
• 磁化率の分析と鉄pnictides系との比較により、スピンダイナミクスの解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeベースの超伝導体の安定した母相を合成し、構造的に同定することは可能か？
• RQ2 非超伝導母相は、低温で長距離反強磁性秩序を示すか？
• RQ3 FeSeベース系における超伝導転移は、ドーピングおよびアンドーピングによって可逆的に行えるか？
• RQ4 FeSeベース系の磁気的性質は、鉄pnictidesとどのように比較できるか？
• RQ5 ドーピングされていないFeSeベース化合物の基底状態におけるスピンフラクチュエーションの性質は何か？

主な発見

• 二つの新しい母相が合成された：一つは正方晶相、もう一つは斜方晶相で、両方とも純粋状態では非超伝導性である。
• Naドーピングにより、正方晶相ではTc = 38 K、斜方晶相ではTc = 46 Kの超伝導性が誘起された。
• 両方の母相において、2 Kまで長距離磁気秩序が観察されず、量子パラ磁気的基底状態であることが示された。
• 低温で動的スピンフラクチュエーションが検出され、長距離秩序がない短距離スピン相関が存在することが示唆された。
• Naドーピングおよびアンドーピングによる、超伝導状態と非超伝導状態との間の遷移は可逆的であった。
• 反強磁性秩序の競合がないことから、FeSeにおけるペアリング機構は鉄pnictidesとは異なることが示された。