[논문 리뷰] Highly mobile carriers in orthorhombic phases of iron-based superconductors FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$

E. A. Ovchenkov, Д. А. Чареев외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 19.

Iron-based superconductors research참고 문헌 37인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 테트라곤할 상에서 존재하지 않는, 정방형 상의 FeSe₁₋ₓSₓ 초전도체에서 매우 높은 이동도를 가진 전자 밴드를 규명한다. 이 밴드는 반도체의 밴드 구조에서 바닥에 가까운 바나 허브 특이점(Van Hove singularities) 근처의 국소 피에르 피면 영역에서 기인한다. 이 밴드는 이동도 약 1843 cm²/Vs이며, 낮은 운반자 농도를 가지며, 정방형 상에서 강한 코흐러의 법칙 위반과 이례적인 홀 효과 및 자기저항을 설명한다. 이는 철기 초전도체에서 국소 전자 불안정성이 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The field and temperature dependencies of the longitudinal and Hall resistivity have been measured for FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$ (x=0.04, 0.09 and 0.19) single crystals. The sample FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ does not show a transition to an orthorhombic phase and exhibits at low temperatures the transport properties quite different from those of orthorhombic samples. The behavior of FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ is well described by the simple two band model with comparable values of hole and electron mobility. In particular, at low temperatures the transverse resistance shows a linear field dependence, the magnetoresistance follow a quadratic field dependence and obeys to Kohler's rule. In contrast, Kohler's rule is strongly violated for samples having an orthorhombic low temperature structure. However, the transport properties of the orthorhombic samples can be satisfactory described by the three band model with the pair of almost equivalent to the tetragonal sample hole and electron bands, supplemented with the highly mobile electron band which has two order smaller carrier number. Therefore, the peculiarity of the low temperature transport properties of the orthorhombic Fe(SeS) samples, as probably of many other orthorhombic iron superconductors, is due to the presence of a small number of highly mobile carriers which originate from the local regions of the Fermi surface, presumably, nearby the Van Hove singularity points.

연구 동기 및 목표

• 정방형 철기 초전도체에서의 이례적인 저온 운반 특성의 기원을 이해하기 위해.
• 정방형 FeSe₁₋ₓSₓ의 전자적 거동을 테트라곤할 상과 구별하여, 특히 자기저항 및 홀 효과에서의 특성을 분석하기 위해.
• 매우 높은 이동도를 가지는 운반자가 정방형 상에서만 나타나는지, 그리고 피에르 피면 기하학적 특성에서 기인하는지 규명하기 위해.
• 코흐러의 법칙이 정방형 상과 테트라곤할 상에서 어떻게 적용되는지 검증하고, 그 위반 현상을 설명하기 위해.
• 테트라곤할에서 정방형 상으로의 전이 이후 바나 허브 특이점 근처의 전자 불안정성과 관련하여 매우 빠른 운반자가 어떻게 발생하는지 연결하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 FeSe₁₋ₓSₓ 단일 결정체(x = 0.04, 0.09, 0.19)에서 다양한 자기장과 온도 조건에서 종방향 및 홀 저항을 측정하였다.
• 테트라곤할 FeSe₀.₈₁S₀.₁₉ 샘플의 운반 특성을 기술하기 위해 이중 밴드 모델을 사용하였으며, 횡방향 저항의 선형 B의존성과 제곱 자기저항을 관찰하였다.
• 정방형 샘플의 경우, 매우 높은 이동도를 가지는 전자 밴드를 포함하는 삼중 밴드 모델을 적용하였다.
• 코흐러의 법칙에서의 편차를 분석하여 정방형 상에서의 비보편적 스케일링 행동을 규명하였다.
• ARPES 및 밴드 구조 계산을 통해 피에르 피면 재구성과 바나 허브 특이점 근처의 관련성을 분석하였다.
• 이동도 스펙트럼 분석과 이전의 고품질 FeSe 데이터를 비교하여 초고속 운반자의 존재를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 정방형 상의 FeSe₁₋ₓSₓ는 코흐러의 법칙을 강하게 위반하는 반면, 테트라곤할 상에서는 그렇지 않은가?
• RQ2 왜 매우 높은 이동도를 가지는 운반자가 정방형 상에서만 나타나는가?
• RQ3 테트라곤할에서 정방형 상으로의 전이 과정에서 피에르 피면 재구성이 특정 지점 근처의 운반자 이동도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 왜 정방형 Fe(SeS) 샘플에서 이례적인 홀 효과 및 자기저항 행동이 나타나는가?
• RQ5 피에르 피면의 국소 영역, 특히 바나 허브 특이점 근처에서의 전자적 특성이 정방형 철기 초전도체의 운반 특성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 테트라곤할 FeSe₀.₈₁S₀.₁₉ 샘플은 표준적인 이중 밴드 운반 특성을 보이며, 선형 홀 저항 및 제곱 자기저항을 나타내며 코흐러의 법칙을 따르고 있다.
• 정방형 샘플(x = 0.04, 0.09)은 코흐러의 법칙을 강하게 위반하여 비보편적 스케일링 행동과 복잡한 운반자 역학을 시사한다.
• 이동도 약 ~1843 cm²/Vs이며, 주 밴드보다 두 개 정도의 차수 낮은 운반자 농도를 가지는 매우 높은 이동도의 전자 밴드는 정방형 상에서만 확인된다.
• 이 밴드는 바나 허브 특이점 근처의 국소 피에르 피면 영역에서 기인하며, 테트라곤할에서 정방형 상으로의 전이 과정에서의 밴드 재구성으로 인한 것으로 여겨진다.
• 상전이 시 주 구멍 및 전자 밴드의 운반자 농도가 수 배 감소함으로써 전자적 불안정성과 밴드폭 감소가 발생함을 나타낸다.
• 이 결과는 Huynh 등(2014)의 고품질 FeSe 데이터와 정량적으로 일치하며, 바나 허브 점 근처의 국소 피에르 피면 이방성의 초고속 운반자 생성에 기여하는 역할을 뒷받침한다.