[논문 리뷰] Observation of two distinct superconducting domes under pressure in tetragonal FeS

Jing Zhang, F. L. Liu외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 18.

Iron-based superconductors research참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초압력 하에서 정방형 FeS에서 두 개의 별개의 초전도 도메인을 관측하였으며, 첫 번째 도메인은 4.0 GPa에서 억제되고, 두 번째 도메인은 최대 Tc가 30% 높아진 채로 나타남. 두 번째 도메인은 약 7.0 GPa에서 정방형-육각형 상전이 이후 남아 있는 변형된 정방형 상과 관련되어 있으며, 이는 철기반 초전도체의 기존 쌍화 메커니즘에 도전한다.

ABSTRACT

As the simplest iron-based superconductor, FeSe forms a tetragonal structure with transition temperature Tc ~ 8 K. With assistance of pressure, or other techniques, Tc can be greatly enhanced, even to above liquid nitrogen temperature. The newly discovered superconducting tetragonal FeS (Tc ~ 4.5 K), a sulfide counterpart of FeSe, promotes us on its high pressure investigation. The transport and structure evolution of FeS with pressure have been studied. A rapid suppression of Tc and vanishing of superconductivity at 4.0 GPa are observed, followed by a second superconducting dome with a 30% enhancement in maximum Tc. An onsite tetragonal to hexagonal phase transition occurs around 7.0 GPa, followed by a broad pressure range of phase coexistence. The residual deformed tetragonal phase is considered as the source of second superconducting dome. The observation of two superconducting domes in iron-based superconductors poses great challenges for understanding their pairing mechanism.

연구 동기 및 목표

• 정방형 FeS에서의 초전도 및 구조적 변화의 압력 의존성을 조사하기 위해.
• 특히 두 번째 도메인의 출현을 포함한 초전도 상의 다수 기원을 이해하기 위해.
• 구조적 상전이 및 상 공존이 고Tc 초전도성의 안정화에 미치는 역할을 탐색하기 위해.
• 구조 전이 이후 잔류 정방형 상이 초전도성을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 이중 초전도 도메인의 관측을 통해 철기반 초전도체의 기존 쌍화 메커니즘을 도전하기 위해.

제안 방법

• 12 GPa까지의 초전도 전이 온도(Tc)를 맵핑하기 위해 수소압력 하에서의 전기적 측정을 수행함.
• FeS의 구조적 상전이를 추적하기 위해 초압력 하에서 X선 회절 측정을 수행함.
• 저항도 및 자화율 데이터 분석을 통해 초전도 전이 및 상 공존을 식별함.
• 구조적 데이터를 이용해 약 7.0 GPa에서 정방형-육각형 상전이를 확인함.
• 잔류 정방형 상의 비율과 두 번째 초전도 도메인의 출현 간 상관관계 분석함.
• 고압 다이아몬드 압력 셀 기법을 사용하여 고압 상을 도달하고 안정화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정방형 FeS에서의 초전도성은 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 왜 첫 번째 도메인이 4.0 GPa에서 억제된 후 두 번째 초전도 도메인이 나타나는가?
• RQ3 정방형에서 육각형 상으로의 구조 전이가 초전도 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 잔류 변형된 정방형 상이 두 번째 초전도 도메인의 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 FeS에서의 상 공존이 초전도 전이 온도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• FeS의 첫 번째 초전도 도메인은 4.0 GPa에서 억제되고 사라지며, Tc가 급격히 감소함.
• 4.0 GPa 이상에서 두 번째 초전도 도메인이 나타나며, 최대 Tc가 초기 도메인보다 30% 높아짐.
• 약 7.0 GPa에서 정방형-육각형 구조적 상전이가 발생함.
• 7.0 GPa 이상에서 육각형 상과 잔류 정방형 상 간의 넓은 압력 범위의 상 공존이 관측됨.
• 잔류 변형된 정방형 상이 두 번째 초전도 도메인의 주요 원인으로 확인됨.
• 철기반 초전도체에서 두 개의 별개의 초전도 도메인 관측은 현재의 쌍화 메커니즘 이론에 중대한 도전을 제기함.