[논문 리뷰] Matrix-assisted fabrication and exotic charge mobility of (Li,Fe)OHFeSe superconductor films

Yulong Huang, ZhongPei Feng외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 08.

Iron-based superconductors research인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 광범위한 초전도 전이 온도 범위(4–42 K)에서 (Li,Fe)OHFeSe 초전도체 필름을 제조하기 위해 매트릭스 보조 수열 에피택셜 성장 방법을 도입하여 내재된 전하 운반자 측정을 가능하게 하였다. 결과는 전자와 정공 운반자가 공존하며, 비페르미 액체 산란을 보이며, Tc 근처에서 이동도가 발산하고 고-Tc 샘플에서 전자 이동도가 향상됨을 시사하며, 철기반 초전도체 메커니즘에 대한 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Superconducting (Li1-xFex)OHFe1-ySe films are attractive for both the basic research and practical application. However, the conventional vapor deposition techniques are not applicable in synthesizing the films of such a complex system. So no intrinsic charge transport measurements on the films are available so far to reveal the nature of charge carriers, which is fundamental to understanding the iron-based superconductivity mechanism. Herein we report a soft chemical film technique (matrix-assisted hydrothermal epitaxial growth), by which we have succeeded in growing a series of (Li1-xFex)OHFe1-ySe films covering the whole superconducting regime, with the superconducting transition temperature (Tc) from 4 K up to 42 K. This film technique opens up a new way for fabricating other complex functional materials as well. Furthermore, our systematic transport investigation on the film samples indicates that both the electron and hole carriers contribute to the charge transport, with the scattering rates deviating from the Fermi liquid. We find that the superconductivity occurs upon the electron and hole mobility becoming divergent. And in the high Tc samples, the electron carriers are found much more mobile than the holes, a feature distinct from the low Tc samples. Hence, our transport results provide key insights into the underlying physics for iron-based high-Tc superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 기존 증착 기술로는 확보할 수 없는 복잡한 (Li,Fe)OHFeSe 초전도체 필름을 위한 새로운 제조 방법 개발.
• 철기반 초전도체의 전하 운반자 성질을 탐구하기 위해 이러한 필름에서 내재된 전하 운반자 측정을 가능하게 하기.
• 전하 운반자인 전자 및 정공의 기여와 초전도 전이 온도(Tc)와의 관계를 조사하기.
• 페르미 액체 이론에서의 이탈과 Tc 근처에서의 발산 운반자 이동도의 발생 원인을 탐구하기.
• 운반자 이동도와 산란률을 분석하여 (Li,Fe)OHFeSe에서 고-Tc 초전도성의 미세구조 기원을 이해하기.

제안 방법

• 적절한 기질 상에서 (Li1-xFex)OHFe1-ySe 필름을 합성하기 위해 매트릭스 보조 수열 에피택셜 성장 기법을 개발하였다.
• 이 방법을 통해 초전도 전이 온도(Tc)가 4 K에서 42 K에 이르는 전체 초전도 영역에서 성장이 가능하였다.
• 운반자 이동도와 산란률을 추출하기 위해 필름 샘플에 대해 체계적인 전기적 운반자 측정을 수행하였다.
• 운반자 운반 성질의 기여와 페르미 액체 이론에서의 이탈 여부를 분석하기 위해 운반자 데이터를 분석하였다.
• 다양한 Tc 값에서 운반자 이동도의 발산과 초전도성 발생 시점 간의 관계를 조사하였다.
• 저-Tc 및 고-Tc 샘플 간 전자 및 정공 이동도를 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매트릭스 보조 수열 기법을 통해 전체 초전도 영역도를 커버하는 (Li,Fe)OHFeSe 필름을 성공적으로 제조할 수 있는가?
• RQ2 (Li,Fe)OHFeSe 필름에서 전하 운반자의 성격은 전자 중심인지 정공 중심인지?
• RQ3 이 필름에서 전하 운반자의 산란률은 페르미 액체 예측에서 어떻게 이탈하는가?
• RQ4 전자 및 정공 이동도의 발산이 초전도성 발생 시점과 일치하는가?
• RQ5 고-Tc (Li,Fe)OHFeSe 필름에서 왜 전자 운반자가 정공 운반자보다 더 높은 이동도를 보이는가?

주요 결과

• 매트릭스 보조 수열 에피택셜 성장 기법을 통해 Tc가 4 K에서 42 K에 이르는 (Li,Fe)OHFeSe 필름을 성공적으로 제조하였으며, 전체 초전도 영역을 커버하였다.
• 전자 및 정공 운반자가 전하 운반에 기여하며, 산란률이 페르미 액체 예측과 다름을 보였다.
• 초전도성이 발생할 때 전자 및 정공 운반자 이동도가 동시에 발산함으로써, 운반자 국소화/비국소화의 결정적 역할이 확인되었다.
• 고-Tc 샘플에서는 전자 운반자가 정공 운반자보다 현저히 높은 이동도를 보였으며, 이는 저-Tc 샘플에서는 관찰되지 않았다.
• 관측된 비페르미 액체 행동과 이동도 발산은 강한 전자 상호작용과 비정상적인 쌍화 메커니즘을 시사한다.
• 결과는 특이한 전하 운반 성질이 철기반 고온 초전도성 메커니즘과 직접적으로 연결됨을 직접적인 실험적 증거로 제공한다.