[논문 리뷰] Non-Fermi liquid behavior of electrical resistivity close to the nematic critical point in Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$

Takahiro Urata, Yoichi Tanabe외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 03.

Iron-based superconductors research인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 비페르미 액체(nFL) 저항도 행동을 nematic 양자臨계점(QCP) 근처에서 Fe₁₋ₓCoₓSe 및 FeSe₁₋ᵧSᵧ 단일 결정에서 조사한다. 온도 및 자기장 의존성 저항도 측정을 통해, FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 y = 0.160에서 T-선형 저항도가 관찰되어 강한 nematic 양자 임계 플럭츄에이션을 나타내며, 더 높은 도핑 조건(y = 0.212)에서는 T² 행동으로의 전이가 발생하여 nFL에서 FL로의 전이가 확인된다. 이는 y ≈ 0.160 근처에 nematic QCP가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Temperature dependence of resistivity of single crystals of Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$ is studied in detail under zero and high magnetic field (magnetoresistance), the latter of which enables to monitor the temperature ($T$) evolution of resistivity below the onset of superconducting transition temperature ($T_{ m c}$). In FeSe$_{1-y}$S$_y$, $T$-linear dependence of resistivity is prominent in $y$ = 0.160 below 40 K, whereas it changes to a Fermi-liquid(FL)-like $T^2$ one below 10 K in $y$ = 0.212. These suggest that the quantum critical point (QCP) originating from the electronic nematicity resides around $y$ = 0.160 and the fluctuation in QCP gives rise anomalous $T$-linear dependence in resistivity in a wide $T$ range. In Fe$_{1-x}$Co$_x$Se, resistivity gradually changes from linear- to quadratic- $T$-dependent one at low temperatures in the range between $x$ = 0.036 and 0.075. These could be interpreted by scenarios of both the nematic QCP and the crossover in the ground states between the orthorhombic nematic phase and the tetragonal phase. The anomalies found as $T$-linear resistivity are discussed in terms of orbital and spin fluctuation arising from the nematic QCP.

연구 동기 및 목표

• nematic 양자임계점(QCP) 근처에서 Fe₁₋ₓCoₓSe 및 FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 비페르미 액체(nFL) 저항도 행동을 규명하는 것.
• 정상 상태에서 비정상적인 T-선형 저항도를 유도하는 nematic 양자 플럭츄에이션의 역할을 규명하는 것.
• nematic QCP 효과와 전통적인 페르미 액체 행동을 구별하여 저항도 이질현상의 기원을 명확히 하는 것.
• 도핑 및 온도 의존성에 따른 저항도 변화를 통해 정방형 nematic 및 테트라고날 상 사이의 전이를 조사하는 것.
• FeSe 기반 시스템에서 nematic QCP 근처에서 궤도 또는 스핀 플럭츄에이션이 nFL 행동을 지배하는지 평가하는 것.

제안 방법

• Fe₁₋ₓCoₓSe (x = 0–0.08) 및 FeSe₁₋ᵧSᵧ (y = 0–0.21)의 고순도 단일 결정을 용융염 플럭스 방법으로 성장시켰다.
• 최대 18 T의 자기장에서 표준 사측법을 사용하여 온도 의존성 저항도, 자기저항도(MR), 홀 저항도를 측정하였다.
• 내재 전자적 반응을 분리하기 위해 MR 및 저항도 데이터를 영자기장으로 외삽하여 정상 상태 저항도를 추출하였다.
• 저항도의 온도 의존성을 거듭제곱법 피팅 ρ(T) ∝ T^γ를 통해 분석하였으며, γ 값은 nFL(γ ≈ 1)과 FL(γ ≈ 2) 행동을 식별하는 데 사용되었다.
• 결정 품질 및 정확한 스토이키오메트리 확인을 위해 X선 회절 및 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 사용하였다.
• nematic QCP는 FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 T-선형 저항도가 넓은 온도 범위에서 유지되는 도핑 조건(y ≈ 0.160)을 식별함으로써 위치를 특정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 nematic 양자임계점 근처에서 비페르미 액체 저항도가 T-선형 의존성을 보이는가?
• RQ2 Fe₁₋ₓCoₓSe에서 저항도의 변화는 nematic 및 테트라고날 상 사이의 전이를 어떻게 반영하는가?
• RQ3 T-선형 저항도의 기원은 궤도 플럭츄에이션, 스핀 플럭츄에이션, 또는 nematic 양자임계성인가?
• RQ4 저항도 행동은 도핑에 따라 어떻게 변화하며, 이는 양자임계점의 성격에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ5 관측된 저항도 이질현상은 다성분 페르미 액체 효과와 구별될 수 있는가?

주요 결과

• FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 y = 0.160일 때 40 K 이하에서 T-선형 저항도(γ ≈ 1)가 두드러지게 나타나 강한 nematic 양자임계 플럭츄에이션을 나타낸다.
• 더 높은 도핑 조건(y = 0.212)에서는 10 K 이하에서 저항도가 T² 의존성으로 전이되며, nFL에서 FL 행동으로의 전이가 나타난다.
• nematic 양자임계점(QCP)은 FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 y ≈ 0.160 근처에 위치하며, 이곳에서 nFL 저항도가 최대로 강화된다.
• Fe₁₋ₓCoₓSe에서는 x = 0.036에서 x = 0.075 사이에서 저항도가 T-선형에서 T² 유사 행동으로 전이되며, nFL에서 FL 상태로의 전이가 나타난다.
• 관측된 저항도 이질현상은 전통적인 다성분 페르미 액체 효과가 아니라 nematic 순서와 관련된 양자임계 플럭츄에이션에 기인한다.
• 결과는 궤도 및 스핀 플럭츄에이션이 nematic QCP 근처에서 비페르미 액체 저항도를 이끌어내며, 특히 y = 0.160 근처에서 FeSe₁₋ᵧSᵧ에서 그 영향이 두드러진다는 시나리오를 지지한다.