[논문 리뷰] Emergence of superconductivity in strongly correlated hole-dominated Fe1-xSe

S. L. Ni, Jianping Sun외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 29.

Iron-based superconductors research참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비스토이키오메트릭 및 거의 스토이키오메트릭 단결정을 조사하여 Fe₁₋ₓSe의 종합적인 상도를 수립한다. 구멍이 우세한 Fe₁₋ₓSe에서 강한 전자 상호작용이 전자 도핑에 의해 초전도성이 나타나며, 초전도성 도메인은 강한 상관관계가 있는 구멍이 풍부한 영역에서 나타나지만, 테트라곤럴에서 오르토로브릭으로의 전이 현상은 전자 도핑 농도가 높은 영역에서만 관찰된다.

ABSTRACT

Here we establish a more complete phase diagram for FeSe system, based on experimental results of nonstoichiometric Fe1-xSe single crystals that we have developed recently, as well as nearly stoichiometric FeSe single crystals. The electronic correlation is found to be strongly enhanced in hole-dominated Fe1-xSe, as compared with electron-dominated FeSe, from the magnetic susceptibility and electrical transport measurements in the normal state. A superconducting dome is found to emerge starting from the strongly correlated hole-dominated regime with electron doping, while the tetragonal-orthorhombic phase transition at ~90 K is observed only at higher electron-doping levels in the electron-dominated regime.

연구 동기 및 목표

• 다양한 구멍 및 전자 도핑 농도에서 Fe₁₋ₓSe의 완전한 상도를 매핑하기 위해.
• 전자 상관관계가 전자 우세 영역과 비교하여 구멍이 우세한 Fe₁₋ₓSe에서 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• 강한 상관관계 영역에서 초전도성이 나타나는 조건을 규명하기 위해.
• FeSe에서 구조적 상전이와 초전도성 질서 간의 관계를 명확히 하기 위해.
• 고품질의 비스토이키오메트릭 및 거의 스토이키오메트릭 단결정을 사용하여 이전 연구의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 스토이키오메트리에서의 제어된 비편차를 가진 고품질의 비스토이키오메트릭 Fe₁₋ₓSe 단결정 합성.
• 정상 상태에서의 전자 상관관계를 탐색하기 위해 자화도 측정.
• 초전도 전이 및 상 경계를 식별하기 위한 전기적 운반 측정.
• 초전도성 도메인과 구조 전이의 진화를 추적하기 위해 도핑 농도를 체계적으로 변화.
• 상관관계 강도를 평가하기 위해 구멍이 우세한 영역과 전자가 우세한 영역의 결과를 비교.
• 정밀한 상도를 구성하기 위해 고해상도 데이터의 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 상관관계는 전자 우세한 Fe₁₋ₓSe와 비교하여 어떻게 변화하는가?
• RQ2 강한 상관관계가 있는 구멍이 풍부한 영역에서 Fe₁₋ₓSe의 초전도성이 어느 도핑 농도에서 나타나는가?
• RQ3 Fe₁₋ₓSe에서 테트라곤럴에서 오르토로브릭으로의 구조 전이와 초전도성 질서 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 초전도성 도메인은 상도의 구멍이 우세한 영역으로까지 연장되는가?
• RQ5 비스토이키오메트릭 및 거의 스토이키오메트릭 Fe₁₋ₓSe 단결정은 전자적 및 초전도적 성질에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 자화도 및 운반 데이터에 의해 입증되듯이, 전자 우세한 FeSe와 비교해 구멍이 우세한 Fe₁₋ₓSe에서 전자 상관관계가 크게 향상된다.
• 전자 도핑에 의해 구멍이 우세한 영역에서 초전도성 도메인이 나타나며, 이는 초전도성이 강한 상관관계 환경에서 안정화됨을 시사한다.
• ~90 K에서 관찰되는 테트라곤럴에서 오르토로브릭으로의 상전이는 높은 전자 도핑 농도에서만 관찰되며, 이는 구멍이 풍부한 영역에서의 억제를 나타낸다.
• 상도는 구멍이 우세한 영역과 전자가 우세한 영역에서의 전자 행동 간 명확한 차이를 드러내며, 초전도성이 전자 도핑 이후에야 구멍이 우세한 영역에서 나타남을 보여준다.
• 고품질의 단결정은 상 경계의 정밀한 매핑을 가능하게 하여 이전 연구의 모순을 해결한다.
• 결과는 강한 상관관계가 있는 구멍 도핑 영역에서의 상호작용이 FeSe에서 초전도성을 매개하는 데 핵심적인 역할을 한다는 시나리오를 지지한다.