[논문 리뷰] Enhanced superconductivity accompanying a Lifshitz transition in electron-doped FeSe monolayer

Xun Shi, P. Richard외 9명|RePEc: Research Papers in Economics|2016. 06. 05.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스트리안티타늄산화물 기반의 철세레니드 단일층에서 현장에서 칼륨을 증착함으로써 전자 도핑을 유도하면 브릴루아인 존 중심에 전자 포켓이 나타나는 두 번째 리프시츠 전이가 발생하며, 이로 인해 초전도 임계온도(Tc)가 15 K 상승하여 50 K를 초과하는 것으로 나타났다. 결과적으로 이 시스템에서 궤도에 따라 달라지는 초전도 메커니즘이, 특히 dxy 궤도의 기여가 초전도성 향상에 핵심적임을 시사한다.

ABSTRACT

The origin of enhanced superconductivity over 50 K in the recently discovered FeSe monolayer films grown on SrTiO$_{3}$ (STO), as compared to 8 K in bulk FeSe, is intensely debated. As with the ferrochalcogenides A$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$ and potassium doped FeSe, which also have a relatively high superconducting critical temperature ($T_c$), the Fermi surface (FS) of the FeSe/STO monolayer films is free of hole-like FS, suggesting that a Lifshitz transition by which these hole FSs vanish may help increasing $T_c$. However, the fundamental reasons explaining this increase of $T_c$ remain unclear. Here we report a 15 K jump of $T_c$ accompanying a second Lifshitz transition, characterized by the emergence of an electron pocket at the Brillouin zone (BZ) centre, that is triggered by high electron doping following in-situ deposition of potassium on FeSe/STO monolayer films. Our results suggest that the pairing interactions are orbital-dependent with the $d_{xy}$ orbital playing a determining role in generating enhanced superconductivity in FeSe.

연구 동기 및 목표

• SrTiO3 기반에 성장된 FeSe 단일층에서 Tc > 50 K를 보이며, 부피상 FeSe의 8 K보다 훨씬 높은 초전도성 향상의 기원을 규명하기 위해
• 리프시츠 전이—Fermi 표면의 위상적 변화—가 Tc 상승에 기여하는지 여부를 규명하기 위해
• 전자 도핑이 FeSe/STO 단일층의 전자 구조 및 초전도 특성에 미치는 영향을 탐구하기 위해
• 도핑된 시스템에서 향상된 쌍성 상호작용을 담당하는 궤도 성질을 규명하기 위해

제안 방법

• SrTiO3 기반에 성장된 FeSe 단일층에 대해 현장에서 칼륨을 증착하여 높은 수준의 전자 도핑을 구현하기 위해
• Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)를 통해 Fermi 표면 및 전자 구조의 변화를 직접 측정하기 위해
• 브릴루아인 존 중심에 전자 포켓이 나타나는 것이 두 번째 리프시츠 전이의 징후임을 모니터링하기 위해
• 전자 구조 변화와의 연관성을 확인하기 위해 도핑 농도에 따른 초전도 임계온도(Tc) 측정을 수행하기 위해
• 특히 dxy 궤도의 역할을 중심으로 Fermi 표면 특징의 궤도 성질 분석을 수행하기 위해
• 관측된 전자 구조 변화를 궤도에 따라 달라지는 초전도성 이론 모델과 비교하기 위해

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브릴루아인 존 중심에 전자 포켓이 나타나는 두 번째 리프시츠 전이가 전자 도핑된 FeSe 단일층에서 초전도성 향상과 함께 발생하는가?
• RQ2 칼륨 증착에 의한 전자 도핑이 FeSe/STO의 Fermi 표면 위상 및 초전도 전이 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 향상된 초전도 쌍성 메커니즘의 중심 역할을 하는 dxy 궤도의 기여는 무엇인가?
• RQ4 관측된 Tc의 15 K 상승은 리프시츠 전이 이후 새로운 전자 포켓이 나타나는 것과 직접적으로 연관되는가?

주요 결과

• 현장에서 칼륨 증착을 통해 전자 도핑을 시행한 결과, Tc가 15 K 상승하였으며, 도핑된 FeSe 단일층에서 Tc는 50 K를 초과하였다.
• Tc 상승은 두 번째 리프시츠 전이와 직접적으로 관련되어 있었으며, 이는 브릴루아인 존 중심에 전자 포켓이 나타나는 것으로 확인되었다.
• 도핑된 시스템의 Fermi 표면에는 구멍성 포켓이 존재하지 않아, 리프시츠 전이에 따른 위상적 변화가 확인되었다.
• ARPES 측정 결과, dxy 궤도가 향상된 초전도 쌍성 메커니즘에서 주요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.
• 결과적으로 FeSe 단일층의 초전도 쌍성은 궤도에 따라 크게 달라지며, dxy 궤도가 고Tc 행동의 핵심 요소임을 시사한다.
• 관측된 Tc 상승은 전통적인 전자-음향파 결합 메커니즘만으로는 설명될 수 없으며, 비보통적인 궤도 기반 쌍성 메커니즘이 존재함을 시사한다.