[논문 리뷰] Quenched nematic criticality separating two superconducting domes in an iron-based superconductor under pressure

Pascal Reiss|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Iron-based superconductors research참고 문헌 42인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 압력 하에서 FeSe₀.₈₉S₀.₁₁에서 억제된 니ematic 양자 임계점이 드러나며, 양자 상전이에 가까운 상황임에도 불구하고 nematic 변동이 초전도성 향상을 유도하지 않는다는 것을 보여준다. 수압 압력과 고자기장 양자 진동을 통해 저자들은 두 초전도 영역을 분리하는 Lifshitz 전이를 규명하였으며, 이는 하나는 nematic 상에서 기인한 작은 피어미 표면과 강한 상호작용을 가지며, 다른 하나는 큰 피어미 표면과 약한 상호작용을 가지며 자기상 순서에 의해 안정화된 영역이다.

ABSTRACT

The nematic electronic state and its associated nematic critical fluctuations have emerged as potential candidates for superconducting pairing in various unconventional superconductors. However, in most materials their coexistence with other magnetically-ordered phases poses significant challenges in establishing their importance. Here, by combining chemical and hydrostatic physical pressure in FeSe$_{0.89}$S$_{0.11}$, we provide a unique access to a clean nematic quantum phase transition in the absence of a long-range magnetic order. We find that in the proximity of the nematic phase transition, there is an unusual non-Fermi liquid behavior in resistivity at high temperatures that evolves into a Fermi liquid behaviour at the lowest temperatures. From quantum oscillations in high magnetic fields, we trace the evolution of the Fermi surface and electronic correlations as a function of applied pressure. We detect experimentally a Lifshitz transition that separates two distinct superconducting regions: one emerging from the nematic electronic phase with a small Fermi surface and strong electronic correlations and the other one with a large Fermi surface and weak correlations that promotes nesting and stabilization of a magnetically-ordered phase at high pressures. The lack of mass divergence suggests that the nematic critical fluctuations are quenched by the strong coupling to the lattice. This establishes that superconductivity is not enhanced at the nematic quantum phase transition in the absence of magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 장거리 자기상 질서를 제거함으로써 철기 초전도체에서 깔끔한 니ematic 양자 상전이를 분리하고 연구하기 위해.
• 경쟁하는 자기상이 존재하지 않는 조건에서 니ematic 임계 변동이 초전도성 쌍성에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 고압 및 고자기장 측정을 통해 니ematic 전이를 거쳐 전자 표면과 전자 상호작용의 변화를 탐색하기 위해.
• 자기상이 억제된 조건에서 니ematic 양자 임계점에서 초전도성이 향상되는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• 자기상 억제 및 니ematic 양자 임계점 안정화를 위해 화학적 도핑(S 도핑)과 수압 압력을 병행 적용하기 위해.
• 고압 하에서 전기 저항 측정을 통해 온도 영역 전반에서 비페르미 액체 및 페르미 액체 행동을 탐지하기 위해.
• 고자기장 양자 진동 실험을 통해 피어미 표면 기하학과 효과 질량의 변화를 추적하기 위해.
• 피어미 표면 기하학과 효과 질량의 변화를 통해 Lifshitz 전이를 분석하여 전자 구조의 위상적 변화를 나타내기 위해.
• 두 개의 상이한 초전도 영역 간의 전자 상호작용과 피어미 표면 크기의 비교를 통해 쌍성 메커니즘 평가하기 위해.
• 압력을 조절 매개변수로 사용하여 자기상이 존재하지 않는 조건에서 양자 임계점에 접근함으로써 니ematic 임계성의 청소된 관찰이 가능하도록 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기상이 존재하지 않는 FeSe 기초 초전도체에서 니ematic 임계성이 초전도성을 향상시키는가?
• RQ2 수압 하에서 니ematic 양자 상전이를 거쳐 피어미 표면은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전자 상호작용은 니ematic 상과 자기상 질서 상에서 초전도성 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 두 개의 상이한 초전도 영역을 분리하는 Lifshitz 전이의 증거가 있는가? 이는 다른 피어미 표면 크기와 상호작용 강도를 가진다.
• RQ5 강한 변동이 존재하는 데도 불구하고 니ematic 양자 임계점에서 초전도성이 향상되지 않는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 니ematic 양자 임계점 근처 고온 영역에서 비페르미 액체 저항 행동이 관측되었으며, 저온 영역에서는 페르미 액체 행동으로 진화한다.
• 고자기장 양자 진동 측정을 통해 두 개의 초전도 영역을 분리하는 Lifshitz 전이가 드러났다.
• 한 초전도 도메인은 니ematic 상에서 기인하여 작은 피어미 표면과 강한 전자 상호작용을 가지며 나타난다.
• 두 번째 초전도 도메인은 큰 피어미 표면과 약한 상호작용을 가지며, 고압에서 자기상 질서에 의해 안정화된다.
• 효과 질량의 발산이 관측되지 않아 니ematic 임계 변동이 강한 전자-격자 결합에 의해 억제됨을 시사한다.
• 자기상이 억제된 조건에서도 니ematic 임계점에서 초전도성이 향상되지 않으며, 이는 니ematic 변동만으로는 강한 쌍성 메커니즘을 유도하지 못함을 시사한다.