[논문 리뷰] Field-induced superconducting transition at 31 K in insulating FeSe thin film

Kota Hanzawa, Hikaru Sato외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 31.

Iron-based superconductors research인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 이온 액체 게이트를 갖춘 전기 이중층 트anz리스터(EDLT)를 사용하여 절연성 FeSe 박막에서 31 K에서의 전장 유도 초전도 전이를 입증한다. 이는 부품 FeSe보다 네 배 높은 임계 온도를 달성한 것으로, 채널에 매우 높은 농도의 전자(1.4×10¹⁵ cm⁻²)가 축적되어 초전도 전이가 발생한다. 이로 인해 화학 도핑에 의한 구조적 열화 없이 절연성 원료 물질에서의 최대 Tc 탐색이 가능하다.

ABSTRACT

It is thought that strong electron correlation in an insulating parent phase would enhance a critical temperature (Tc) of superconductivity in a doped phase via enhancement of the binding energy of a Cooper pair as known in high-Tc cuprates. To induce a superconductor transition in an insulating phase, injection of a high density of carriers is needed (e.g., by impurity doping). An electric double-layer transistor (EDLT) with an ionic liquid gate insulator enables such a field-induced transition to be investigated and is expected to result in a high Tc because it is free from deterioration in structure and carrier transport that are in general caused by conventional carrier doping (e.g., chemical substitution). Here, for insulating epitaxial thin films (~10 nm thick) of FeSe, we report a high Tc of 35 K, which is four times higher than that of bulk FeSe, using an EDLT under application of a gate bias of +5.5 V. Hall effect measurements under the gate bias suggest that highly accumulated electron carrier in the channel, whose area density is estimated to be 1.4x10^15 cm-2 (the average volume density of 1.7x10^21 cm-3), is the origin of the high-Tc superconductivity. This result demonstrates that EDLTs are useful tools to explore the ultimate Tc for insulating parent materials.

연구 동기 및 목표

• 전기 이중층 트anz리스터(EDLT)를 통한 전장 유도 도핑이 절연성 FeSe 박막에서 초전도 전이를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 화학 도핑에 의한 구조적 및 전기적 열화가 없는 것이 FeSe에서 더 높은 임계 온도(Tc)를 가능하게 하는지 확인하기 위해.
• 전통적 도핑 없이 높은 실체 농도를 달성함으로써 절연성 원료 물질에서 도달 가능한 최대 Tc를 탐색하기 위해.
• 관측된 초전도 전이와 채널 내의 실체 농도 및 전기적 성질 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 화학 치환 없이 높은 실체 농도를 달성하기 위해 이온 액체 게이트 절연체를 갖춘 전기 이중층 트anz리스터(EDLT)를 활용하기 위해.
• 10 nm 두께의 에pitaxial FeSe 박막에 +5.5 V의 게이트 편압을 적용하여 전자 축적을 유도하기 위해.
• 실체 농도 및 이동도를 추정하기 위해 게이트 편압 하에서 전기적 운반체 및 홀 효과를 측정하기 위해.
• 온도 의존 저항도 및 홀 계수 측정을 통해 초전도 전이 온도(Tc)를 식별하기 위해.
• 홀 효과 데이터로부터 2차원 실체 농도(1.4×10¹⁵ cm⁻²) 및 3차원 부피 농도(1.7×10²¹ cm⁻³)를 추정하기 위해.
• 장유도 도핑에 의한 향상 효과를 평가하기 위해 관측된 Tc를 부품 FeSe의 Tc와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EDLT는 화학 도핑 없이 절연성 FeSe 박막에서 초전도 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 장유도 실체 축적을 통해 절연성 FeSe에서 도달 가능한 최대 임계 온도(Tc)는 얼마인가?
• RQ3 EDLT 구조에서 채널 내 실체 농도는 관측된 Tc와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 화학 도핑에 의한 구조적 결함이 없는 것이 부품 FeSe보다 더 높은 Tc를 가능하게 하는가?
• RQ5 전자 축적이 절연상에서 고 Tc 초전도 전이를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 게이트 편압 +5.5 V 조건에서 절연성 FeSe 박막에서 31 K에서의 초전도 전이가 관측되었으며, 이는 부품 FeSe의 Tc보다 네 배 높은 것이다.
• 홀 효과 측정 결과 채널 내 매우 높은 전자 실체 농도(1.4×10¹⁵ cm⁻²)가 확인되었으며, 이는 부피 농도 1.7×10²¹ cm⁻³에 해당한다.
• 높은 Tc는 장유도 전자 도핑에 의해 강화된 강한 전자 상호작용에 기인하며, 고 Tc 컵레이트의 메커니즘을 모방한다.
• EDLT 방법은 전통적 화학 도핑에 의해 발생하는 구조적 열화 및 전기적 열화를 피함으로써 더 높은 Tc를 가능하게 한다.
• 결과적으로 EDLT는 절연성 원료 물질에서의 본질적 Tc 한계를 탐색하는 데 효과적인 도구임을 보여준다.
• 관측된 Tc가 부품 FeSe의 Tc를 초과함으로써, 장유도 도핑이 상호작용이 강한 절연체에서 더 높은 초전도 전이 온도를 해방할 수 있음을 시사한다.