[논문 리뷰] Reversibly tuning the insulating and superconducting state in KxFe2-ySe2 crystals by post-annealing

Fei Han, Bing Shen외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 07.

Iron-based superconductors research참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 KxFe2-ySe2 단일 결정에서 후처리 열처리 및 급속 냉각을 통해 절연체 상태와 초전도체 상태 간의 가역적 튜닝을 입증한다. 철 비공재가 무질서 상태일 때 초전도성이 나타나며, 천천히 냉각하거나 실온에서 보관할 경우 비공재 순서가 형성되어 절연체 상태로 전이되며, 이는 구성에 큰 변화가 없음을 시사하여 전자상 전이가 비공재 순서-무질서 동역학에 의해 이끌린다.

ABSTRACT

Since the discovery of superconductivity at 26 K in oxy-pnictide LaFeAsO1-xFx, enormous interests have been stimulated in the field of condensed matter physics and material sciences. Among the many kind of structures in the iron pnictide superconductors, FeSe with the PbO structure has received special attention since there is not poisonous pnictogen element in chemical composition and its structure is the simplest one. However, the superconducting transition temperature (Tc) in iron chalcogenide compounds is not enhanced as high as other iron pnictide superconductors under ambient pressure until the superconductivity at above 30 K in potassium intercalated iron selenide KxFe2-ySe2 was discovered. The insulating and the superconducting state are both observed in KxFe2-ySe2 with different stoichiometries and some groups have tuned the system from insulating to superconducting state by varying the ratio of starting materials[10, 11]. The recent data from neutron scattering suggest that the superconductivity may be built upon an ordered state of Fe vacancies as well as the antiferromagnetic state with a very strong ordered magnetic moment 3.4 B. Here we show that the superconductivity can actually be tuned on a single sample directly from an insulating state by post-annealing and fast quenching. Upon waiting for some days at room temperatures, the superconductivity will disappear and the resistivity exhibits an insulating behavior again. The spatial distribution of the compositions of the as-grown sample and the post-annealed-quenched one was analyzed by the Energy Dispersive X-ray Spectrum (EDXS) and found to be very close to each other. Therefore it is tempting to conclude that the superconductivity is achieved when the Fe-vacancies are in a random (disordered) state. Once they arrange in an ordered state by relaxation or slow cooling, the system turns out to be an insulator.

연구 동기 및 목표

• KxFe2-ySe2 결정에서 전자상 전이의 가역성을 조사하기 위해.
• 화학 스토이히오메트리의 변화 없이도 초전도성이 단일 결정에서 튜닝 가능한지 확인하기 위해.
• 철 비공재 순서가 절연체 행동과 초전도체 행동을 어떻게 유도하는지 탐색하기 위해.
• 열처리를 통해 단일 결정에서 절연체 상태와 초전도체 상태 사이의 동적인 가역 스위치를 설정하기 위해.

제안 방법

• 고온(600 °C)에서 KxFe2-ySe2 결정을 후처리 열처리한 후 실온으로 급속 냉각하기.
• 전기 저항 측정을 통해 절연체 상태와 초전도체 상태 간의 전이 추적하기.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDXS)을 사용하여 성장한 상태와 후처리된 샘플 간의 구성 변화 최소화 확인하기.
• 실온에서 저항의 시간에 따른 변화를 모니터링하여 초전도체 상태에서 절연체 상태로의 자발적 전이 관찰하기.
• 중성자 산란 데이터와 비교하여 절연체 상에서 강한 자화모멘트(3.4 μB)와 철 비공재 순서가 존재함을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KxFe2-ySe2에서 초전도체 상태가 열처리를 통해 절연체 상태로 가역적으로 전환될 수 있는가?
• RQ2 초전도체 상태와 절연체 상태 사이의 전이 과정에서 화학 조성이 변화하는가?
• RQ3 KxFe2-ySe2에서 전자상 전이는 철 비공재 순서에 의해 유도되는가, 아니면 무질서에 의해 유도되는가?
• RQ4 천천히 냉각하거나 실온에서 장시간 노출시키는 것이 절연체 행동을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 600 °C에서의 후처리 열처리 후 급속 냉각을 통해 KxFe2-ySe2 결정에서 Tc ≈ 30 K인 초전도체 상태가 유도된다.
• 실온에서 장기간 보관할 경우 저항이 증가하고 초전도 전이가 사라지며, 이는 절연체 상태로의 가역적 전이를 시사한다.
• EDXS 분석 결과, 후처리 열처리 후에도 철 비공재 농도가 거의 변화하지 않음을 확인하여, 구성 변화가 상 전이의 원인임을 배제한다.
• 절연체 상태는 장거리 철 비공재 순서와 관련이 있으며, 초전도체 상태는 비공재의 무질서(무작위) 분포와 상관이 있다.
• 이 시스템은 화학적 변형 없이 단일 결정에서 초전도체 상태와 절연체 상태 사이의 가역적 열적 전이를 나타낸다.