[논문 리뷰] Fe-based high temperature superconductivity with Tc=31K bordering an insulating antiferromagnet in (Tl,K)FexSe2 Crystals

Minghu Fang, Hangdong Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 23.

Iron-based superconductors research참고 문헌 23인용 수 204

한 줄 요약

이 연구는 희토류-칼륨-철-硒화물 (Tl,K)FexSe2 결정체에서 강한 전자 상호작용을 조절하기 위해 철 빈자리(Fe-vacancy)를 도입함으로써, Tc = 31 K인 철 기반 고온 초전도성과 고립 상태의 반자성체 근처에서의 초전도 전이를 규명하였다. 자화 순서가 억제됨에 따라 초전도성이 나타나며, 이는 철 기반 초전도체에서 강한 전자 상호작용이 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여주며, 이 시스템은 Mott 고립 상태에 가까운 첫 번째 철 기반 초전도체로 위치한다.

ABSTRACT

Up to now, there have been two material families, the cuprates and the iron-based compounds with high-temperature superconductivity (HTSC). An essential open question is whether the two classes of materials share the same essential physics. In both, superconductivity (SC) emerges when an antiferromagnetical (AFM) ordered phase is suppressed. However, in cuprates, the repulsive interaction among the electrons is so strong that the parent compounds are "Mott insulators." By contrast, all iron-based parents are metallic. One perspective is that the iron-based parents are weakly correlated and that the AFM arises from a strong "nesting" of the Fermi surfaces. An alternative view is that the electronic correlations in the parents are still sufficiently strong to place the system close to the boundary between itinerancy and electronic localization. A key strategy to differentiate theses views is to explore whether the iron-based system can be tuned into a Mott insulator. Here we identify an insulating AFM in (Tl,K)FexSe2 by introducing Fe-vacancies and creating superconductivity in the Fe-planar. With the increasing Fe-content, the AFM order is reduced. When the magnetism is eliminated, a superconducting phase with Tc as high as 31K (and a Tc onset as high as 40K) is induced. Our findings indicate that the correlation effect plays a crucial role in the iron-based superconductors. (Tl,K)FexSe2, therefore, represents the first Fe-based high temperature superconductor near an insulating AFM.

연구 동기 및 목표

• 구리 산화물 초전도체와 유사하게 철 기반 초전도체가 Mott 고립 상태로 조절될 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 철 기반 초전도체에서 전자 상호작용의 역할을, 고립 상태의 반자성체 상과의 근접성에 기반해 탐구하는 것.
• 철 기반 초전도체의 모체 화합물이 자성의 네스팅 메커니즘에 의해 유도되는 약한 상호작용 상태인지, 아니면 전자 국소화에 가까운 강한 상호작용 상태인지 명확히 하는 것.
• 철 함량 조절이 가능한 시스템에서 반자성 순서 억제와 초전도성의 발생 간 직접적인 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 전자 구조를 조절하기 위해 철 빈자리 농도를 제어한 (Tl,K)FexSe2 단일 결정의 합성.
• 전기 저항도, 자화율, 열용량 측정을 통해 반자성 순서와 초전도 전이 온도를 탐사.
• 철 농도를 체계적으로 변화시켜 반자성 고립 상태에서 초전도 상태로의 전이 과정을 추적.
• 저저항 상태의 시작점과 Meissner 효과 측정을 통해 초전도 전이 온도(Tc)를 확인.
• 철 빈자리 농도와 자성 순서 억제 및 초전도성 발생 간의 상관관계를 분석하여 상도를 분석.
• 강한 상호작용 모델과 피에르 표면 네스팅 이론 모델을 비교 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 빈자리를 도입함으로써 철 기반 초전도체가 Mott 고립 상태로 조절될 수 있는가?
• RQ2 (Tl,K)FexSe2에서 초전도성이 나타나는 것이 반자성 순서의 억제와 동시에 발생하는가?
• RQ3 고립 상태의 반자성체 상과의 근접성에 기반해 철 기반 초전도체에서 전자 상호작용의 역할은 무엇인가?
• RQ4 (Tl,K)FexSe2의 초전도 상태는 Mott 전이 근처에서 안정화되어 강한 상호작용 효과를 나타내는가?
• RQ5 (Tl,K)FexSe2의 상도는 전자 불안정성 측면에서 구리 산화물 초전도체의 상도와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• (Tl,K)FexSe2에 철 빈자리를 도입함으로써 금속적 반자성 상태에서 고립 상태의 반자성 상태로의 전이가 유도된다.
• 반자성 순서가 억제됨에 따라 초전도성이 나타나며, Tc는 31 K이고 Tc 시작점은 40 K이다.
• 초전도성과 고립 상태의 반자성체 상태 사이의 상 경계가 존재하여, Mott 고립 상태에 가까운 상태임을 시사한다.
• 초전도성 도메인 근처에 Mott 고립 상태가 존재함으로써 철 기반 초전도체에서 전자 상호작용의 중요성을 강력히 뒷받침한다.
• 관측된 상도는 구리 산화물 초전도체의 상도와 유사하게 나타나며, 상호작용 기반의 전자 불안정성에 기반한 공통된 메커니즘을 지지한다.
• 본 연구는 (Tl,K)FexSe2를 Mott 고립 상태에 가까운 첫 번째 철 기반 고온 초전도체로 규명하였다.