[논문 리뷰] Connection between ambient-pressure and pressure-induced superconducting phases in alkaline iron selenide superconductors

Dachun Gu, Liling Sun외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 02.

Iron-based superconductors research참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 알칼리성 철 킴산화물 초전도체에서 대기압 초전도상(SC-I)과 압력 유도 초전도상(SC-II)이 반자성(AFM) 질서를 통해 연결되어 있음을 밝혀냈다. 텔루르(Se) 도핑을 조절함으로써, SC-I와 SC-II 초전도성과 함께 AFM 질서가 모두 x = 0.4에서 동시에 소멸함을 확인하여, 장거리 AFM 질서가 SC-I를 안정화시키고, 압력 하에서 AFM 변동성이 SC-II의 발생을 이끈다고 밝혔다. 이 결과는 다양한 상에서 초전도성을 가능하게 하는 데 있어 AFM 상태의 통합적 역할을 확인한다.

ABSTRACT

A unique platform for investigating the correlation between the antiferromagnetic (AFM) and superconducting (SC) states in high temperature superconductors is created by the discovery of alkaline iron selenide superconductors which are composed of an AFM insulating phase and a SC phase separated spatially. Our previous studies showed that pressure can fully suppress the superconductivity of ambient-pressure superconducting phase (SC-I) and AFM order simultaneously, then induce another superconducting phase (SC-II) at higher pressure. Consequently, the connection between the two superconducting phases becomes an intriguing issue. In this study, on the basis of observing pressure-induced reemergence of superconductivity in Rb0.8Fe2-ySe2-xTex (x=0, 0.19 and 0.28) superconductors, we find that the superconductivity of the SC-I and SC-II phases as well as the AFM ordered state can be synchronously tuned by Te doping and disappear together at the doping level of x=0.4. We propose that the two superconducting phases are connected by the AFM phase, in other words, the state of long-ranged AFM order plays a role in giving rise to superconductivity of the SC-I phase, while the fluctuation state of the suppressed AFM phase drives the emergence of SC-II phase. These results comprehensively demonstrate the versatile roles of AFM states in stabilizing and developing superconductivity in the alkaline iron selenide superconductors.

연구 동기 및 목표

• 알칼리성 철 킴산화물 초전도체에서 대기압 초전도상(SC-I)과 압력 유도 초전도상(SC-II) 간의 관계를 조사하는 것.
• 반자성(AFM) 질서가 두 초전도상의 발생을 매개하거나 영향을 주는지 확인하는 것.
• 화학 도핑(Te)이 SC-I, SC-II 및 AFM 질서의 공존과 억제에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 장거리 및 변동성 AFM 상태가 이러한 복잡한 체계에서 초전도성을 안정화하고 유도하는 데 수행하는 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 다양한 텔루르 함량(x = 0, 0.19, 0.28)을 가진 Rb0.8Fe2-ySe2-xTex 고체 용액에서 압력 의존 전기적 운반 측정을 체계적으로 수행하였다.
• 수압을 이용한 삼각 압축 펌프를 사용하여 초전도 전이 온도(Tc)의 변화와 반자성 질서의 변화를 압력에 따라 모니터링하였다.
• 전자 상호작용 강도와 AFM 및 초전도 상의 안정성 조절을 위해 텔루르 도핑을 조절 매개변수로 사용하였다.
• 다양한 도핑 수준에서 초전도성과 AFM 질서의 억제를 분석하여, 모든 세 상태가 동시에 소멸하는 임계 도핑 임계점(x = 0.4)을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알칼리성 철 킴산화물에서 대기압 초전도상(SC-I)과 압력 유도 초전도상(SC-II)은 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 반자성(AFM) 질서가 이 물질에서 초전도성을 안정화하거나 유도하는 데 직접적인 역할을 하는가?
• RQ3 텔루르 도핑을 통해 대기압 초전도상과 압력 유도 초전도상을 동시에 조절할 수 있는가?
• RQ4 SC-I, SC-II 및 AFM 상이 일관적으로 소멸하는 도핑 수준는 얼마이며, 이는 임계 양자 상전이 경계를 나타내는가?

주요 결과

• 대기압 초전도상(SC-I)과 압력 유도 초전도상(SC-II)은 모두 텔루르 도핑 수준 x = 0.4에서 억제되고 동시에 소멸한다.
• 반자성(AFM) 질서도 동일한 도핑 수준(x = 0.4)에서 완전히 억제되며, 이는 세 상태 모두에 대한 공통 임계점임을 시사한다.
• 장거리 AFM 질서는 SC-I 상의 안정화에 필수적이며, 그 억제가 SC-I의 소멸과 동시에 발생함을 확인하였다.
• 억제 상태에서의 AFM 변동성이 압력 유도 초전도상(SC-II)의 발생을 이끌어내는 것으로 제안되며, 이는 AFM 상호작용의 이중적 역할을 시사한다.
• 텔루르 도핑에 의해 SC-I, SC-II 및 AFM 질서가 동시에 조절되고 소멸하는 것으로 확인되어, 두 초전도상이 AFM 상태를 통해 깊이 연결되어 있음을 입증하였다.
• 결과는 AFM 상태—장거리 및 변동성 모두—가 철 킴산화물에서 다양한 상에서 초전도성을 가능하게 하는 중심적 역할을 한다는 통합적 시나리오를 지지한다.