[논문 리뷰] Phase Diagram and Quantum Critical Point in Newly Discovered Superconductors: SmO_{1-x}F_xFeAs

R. H. Liu, Gang Wu외 12명|ArXiv.org|2008. 04. 14.

Iron-based superconductors research참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 SmO₁₋ₓFₓFeAs에서 x ≈ 0.14에서 양자临界점(QCP)을 확립한다. 여기서 스핀 밀도 파동(SDW) 질서가 억제되고 최적 doping(x = 0.20)에서 54 K의 Tc를 가지는 초전도성이 나타난다. QCP는 T선형 저항도와 두드러진 홀 계수 상승으로 증명되며, 이는 운반자 밀도 감소와 임계 플럭츄에이션을 시사하며, 고Tc 구프레이트와 유사한 거동를 보이며 양자临계성에 의해 이끄는 비보통 초전도성임을 시사한다.

ABSTRACT

The magnetic fluctuations associated with a quantum critical point (QCP) are widely believed to cause the non-Fermi liquid behaviors and unconventional superconductivities, for example, in heavy fermion systems and high temperature cuprate superconductors. Recently, superconductivity has been discovered in iron-based layered compound $LaO_{1-x}F_xFeAs$ with $T_c$=26 K\cite{yoichi}, and it competes with spin-density-wave (SDW) order\cite{dong}. Neutron diffraction shows a long-rang SDW-type antiferromagnetic (AF) order at $\sim 134$ K in LaOFeAs\cite{cruz,mcguire}. Therefore, a possible QCP and its role in this system are of great interests. Here we report the detailed phase diagram and anomalous transport properties of the new high-Tc superconductors $SmO_{1-x}F_xFeAs$ discovered by us\cite{chenxh}. It is found that superconductivity emerges at $x\sim$0.07, and optimal doping takes place in the $x\sim$0.20 sample with highest $T_c \sim $54 K. While $T_c$ increases monotonically with doping, the SDW order is rapidly suppressed, suggesting a QCP around $x \sim$0.14. As manifestations, a linear temperature dependence of the resistivity shows up at high temperatures in the $x<0.14$ regime, but at low temperatures just above $T_c$ in the $x>0.14$ regime; a drop in carrier density evidenced by a pronounced rise in Hall coefficient are observed, which mimic the high-$T_c$ cuprates. The simultaneous occurrence of order, carrier density change and criticality makes a compelling case for a quantum critical point in this system.

연구 동기 및 목표

• SmO₁₋ₓFₓFeAs의 전자 상도도를 그림 짜고 도핑에 의해 유도되는 양자상전이를 규명하기 위해.
• 철기반 초전도체에서 스핀 밀도 파동(SDW) 질서와 초전도성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 최적 초전도성 도핑 근처에서 비페르미 액체 운반 특성에 의해 나타나는 양자임계 행동이 나타나는지 확인하기 위해.
• 고Tc 구프레이트 및 무거운 페르미온 체계와의 운반 특성 서명을 비교하기 위해.

제안 방법

• 고리박스 내 아르곤 분雰위에서 고온 소결(1160 °C)을 이용한 다결정 SmO₁₋ₓFₓFeAs 샘플(x = 0–0.3) 합성.
• X선 회절(XRD) 분석을 통한 상 순도 및 F 도핑에 따른 격자 상수 변화 확인.
• 5 K에서 475 K까지의 전기 저항도 및 홀 계수 측정을 통해 정상 상태 운반 특성 및 운반자 밀도 변화 탐색.
• 저항도 및 홀 계수의 온도 의존성 분석을 통해 SDW 전이 및 양자임계성과 관련된 이질점 규명.
• 저항도 데이터를 거듭제곱 법칙 형태(ρ = a + bTⁿ)로 피팅하여 도핑에 따른 온도 의존성 변화 탐지.
• 홀 각도 스케일링(cotθH ∝ T¹·⁵)을 사용하여 SDW 플럭츄에이션과 연관된 이질점 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmO₁₋ₓFₓFeAs에 양자임계점이 존재하는가? 존재한다면 도핑 수준은 무엇인가?
• RQ2 스핀 밀도 파동(SDW) 질서의 억제와 초전도성의 발생 및 강화 사이의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 T선형 저항도 및 홀 계수 상승 등의 운반 특성이 고Tc 구프레이트에서 관찰되는 것과 얼마나 유사한가?
• RQ4 최적 도핑 근처 전자 상전이에서 운반자 밀도 변화의 역할은 무엇인가?
• RQ5 홀 각도의 스케일링 행동(cotθH ∝ T¹·⁵)은 양자임계 플럭츄에이션의 시작을 식별하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도성은 SmO₁₋ₓFₓFeAs에서 x ≈ 0.07에서 나타나며, Tc는 x = 0.20에서 최대 54 K까지 단조적으로 증가한다.
• 스핀 밀도 파동(SDW) 전이 온도(Ts)는 x = 0일 때 약 148 K에서 x = 0.15일 때 약 130 K로 감소하여 F 도핑에 의해 SDW 질서가 억제됨을 나타낸다.
• 저항도 온도 의존성의 전이점은 x ≈ 0.14에서 발생한다: 이 값 이하에서는 비선형 Tⁿ 의존성(n < 2)을 보이며, 이 이상에서는 저항도가 T에 선형적으로 변화(n = 1)하여 양자임계 행동의 시작을 시사한다.
• 홀 계수는 Ts에서 두드러진 상승을 보이며, SDW 형성에 의해 운반자 밀도 감소를 시사한다. 이 효과는 x = 0.10에서 가장 강하며, x > 0.15에서는 점점 약화된다.
• x ≥ 0.13인 경우 전체 온도 범위에서 홀 각도가 T¹·⁵ 스케일링 법칙을 따르며, 정확히 Ts에서 이질점이 발생하여 SDW 플럭츄에이션이 스케일링을 억제함을 나타낸다.
• T선형 저항도, 운반자 밀도 감소, 홀 각도 스케일링의 동시에 관측됨은 x ≈ 0.14에서 SDW 질서가 완전히 억제되고 초전도성이 지배적인 양자임계점 존재를 강력히 지지한다.