[논문 리뷰] Simultaneous emergence of superconductivity, inter-pocket scattering and nematic fluctuation in potassium-coated FeSe superconductor

Zhiyi Ye, C. F. Zhang외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 08.

Iron-based superconductors research참고 문헌 30인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 칼륨 도핑된 FeSe 단일결정에서 초전도성, 이포켓 산란, 나치즘 변동성이 동시에 공존하고 나타나는 것으로 밝혀냈다. 현장에서 칼륨 증발을 통해 도핑을 조절함으로써, 저자들은 초전도성이 전자 포켓 간의 이포켓 산란을 가능하게 하는 리프시츠 전이가 발생할 때 정확히 나타나며, 강한 나치즘 변동성이 넓은 도핑 범위에서 지속된다는 것을 보여주었다. 이는 전자 도핑된 FeSe 초전도체에서 이러한 현상들 사이에 깊은 상관관계가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Superconductivity originates from pairing of electrons. Pairing channel on Fermi surface and pairing glue are thus two pivotal issues for understanding a superconductor. Recently, high-temperature superconductivity over 40 K was found in electron-doped FeSe superconductors including K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_2$, Li$_{0.8}$Fe$_{0.2}$OHFeSe, and 1 monolayer FeSe thin film. However, their pairing mechanism remains controversial. Here, we studied the systematic evolution of electronic structure in potassium-coated FeSe single crystal. The doping level is controlled precisely by in situ evaporating potassium onto the sample surface. We found that the superconductivity emerges when the inter-pocket scattering between two electron pockets is turned on by a Lifshitz transition of Fermi surface. The nematic order suppresses remarkably at the same doping and strong nematic fluctuation remains in a wide doping range of the phase diagram. Our results suggest an underlying correlation among superconductivity, inter-pocket scattering, and nematic fluctuation in electron-doped FeSe superconductors.

연구 동기 및 목표

• 제어된 도핑 조건 하에서 칼륨 도핑된 FeSe 단일결정의 전자 구조 변화를 조사하기.
• 이포켓 산란과 나치즘 변동성이 초전도성 발생에 미치는 역할을 규명하기.
• 전자 도핑된 FeSe에서 피어미 표면 위상, 쌍결합 메커니즘, 나치즘 순서 간의 상관관계를 명확히 하기.
• 고임의 FeSe 기반 초전도체에서 쌍결합 메커니즘에 대한 끊임없는 논란을 해결하기.

제안 방법

• FeSe 단일결정의 도핑 농도를 정밀하게 조절하기 위해 현장에서 칼륨 증발을 사용하였다.
• 전자 구조와 피어미 표면 위상도를 맵핑하기 위해 각도에 의존하는 광전자 방출 분광법(ARPES)을 활용하였다.
• 도핑에 따른 피어미 표면의 낮은 빈도와 이포켓 산란의 변화를 분석하였다.
• 전자 구조의 스펙트럼 무게와 이방성 측정을 통해 나치즘 변동성 강도를 탐지하였다.
• 리프시츠 전이가 이포켓 산란을 유도하는 주요 위상 변화임을 규명하였다.
• 도핑에 의존하는 ARPES 데이터를 기반으로 한 상도도 작성으로써, 초전도성, 산란, 나치즘의 공존 영역을 밝혀냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칼륨 도핑된 FeSe에서 초전도성이 어느 도핑 농도에서 나타나며, 이 전이와 함께 어떤 전자적 변화가 수반되는가?
• RQ2 전자 도핑된 FeSe에서 이포켓 산란은 초전도성 발생과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 초전도 전이 근처에서 나치즘 변동성은 어느 정도 지속되며, 피어미 표면 위상과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 리프시츠 전이와 초전도성 발생 사이에 직접적인 연결 고리가 존재하는가?
• RQ5 고임의 FeSe 초전도체에서 나치즘 순서와 변동성이 쌍결합 메커니즘에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 칼륨 도핑된 FeSe에서 초전도성이 전자 피어미 포켓 간의 이포켓 산란을 가능하게 하는 리프시츠 전이가 발생할 때 정확히 나타난다.
• 이포켓 산란의 시작 시점이 초전도성의 출현과 정확히 겹치며, 이 산란 과정과 쿠퍼 쌍결합 사이에 직접적인 연관성이 있음을 시사한다.
• 나치즘 변동성은 장거리 나치즘 순서가 억제되더라도 넓은 도핑 범위에서 강하게 유지된다.
• 초전도성, 이포켓 산란, 나치즘 변동성의 공존은 이들 간의 강한 상관관계를 시사한다.
• ARPES 측정 결과 피어미 표면 위상도가 도핑에 따라 연속적으로 변화하며, 초전도성의 임계 도핑 농도가 위상 전이와 일치함을 확인하였다.
• 결과는 이포켓 산란과 나치즘 변동성이 전자 도핑된 FeSe에서 고임의 쌍결합 메커니즘의 핵심 요소임을 지지한다.