[논문 리뷰] Structure determination and coexistence of superconductivity and antiferromagnetic order in (Li0.8Fe0.2)OHFeSe

X. F. Lu, N. Z. Wang외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 09.

Iron-based superconductors research참고 문헌 15인용 수 168

한 줄 요약

이 연구는 새로운 수소화법을 통해 공기 중에서 안정한 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe를 합성하여 약 40 K에서 초전도성을 확보하였다. X선 회절 및 중성자 회절을 병행하고 핵자기공명(NMR)을 적용하여 저자들은 결정구조를 명확히 규명하고, 초전도성과 반자성 질서의 공존을 입증하였으며, 철기반 초전도체의 메커니즘을 탐색하기 위한 안정된 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

FeSe-derived superconductors show some unique behaviors relative to iron-pnictide superconductors, which are very helpful to understand the mechanism of superconductivity in high-Tc iron-based superconductors. The low-energy electronic structure of the heavily electron-doped AxFe2Se2 (A=K, Rb, Cs) demonstrates that interband scattering or Fermi surface nesting is not a necessary ingredient for the unconventional superconductivity in iron-based superconductors. The superconducting transition temperature (Tc) in the one-unit-cell FeSe on SrTiO3 substrate can reach as high as ~65 K, largely transcending the bulk Tc of all known iron-based superconductors. However, in the case of AxFe2Se2, the inter-grown antiferromagnetic insulating phase makes it difficult to study the underlying physics. Superconductors of alkali metal ions and NH3 molecules or organic-molecules intercalated FeSe and single layer or thin film FeSe on SrTiO3 substrate are extremely air-sensitive, which prevents the further investigation of their physical properties. Therefore, it is urgent to find a stable and accessible FeSe-derived superconductor for physical property measurements so as to study the underlying mechanism of superconductivity. Here, we report the air-stable superconductor (Li0.8Fe0.2)OHFeSe with high temperature superconductivity at ~40 K synthesized by a novel hydrothermal method. The crystal structure is unambiguously determined by the combination of X-ray and neutron powder diffraction and nuclear magnetic resonance. It is also found that an antiferromagnetic order coexists with superconductivity in such new FeSe-derived superconductor. This novel synthetic route opens a new avenue for exploring other superconductors in the related systems. The combination of different structure characterization techniques helps to complementarily determine and understand the details of the complicated structures.

연구 동기 및 목표

• 기존 시스템의 공기 불안정성과 상 불일치 문제를 해결하여 물리적 성질 측정에 적합한 안정적이고 접근 가능한 FeSe 기반 초전도체를 개발하기 위해.
• 보완적인 회절 및 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe의 정밀한 결정구조를 규명하기 위해.
• 이 새로운 초전도체에서 초전도성과 자성 질서의 공존 여부를 조사하기 위해.
• 유사한 FeSe 기반 물질을 탐색하기 위한 새로운 합성 경로를 수립하기 위해.

제안 방법

• 공기 중에서 안정한 단일 상 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe를 합성하기 위해 새로운 수소화법을 적용하였다.
• 고정밀도의 결정구조 규명을 위해 X선 회절(기구: XRD)과 중성자 회절(기구: NPD)을 사용하였다.
• 국소 전자적 및 자기 환경을 탐색하기 위해 핵자기공명(NMR) 스펙트로스코피를 적용하였다.
• XRD, NPD, NMR 데이터를 통합하여 종합적이고 명확한 결정구조 규명을 달성하였다.
• 전기 저항도 및 자화율 측정을 통해 초전도 전이 온도(Tc)를 확인하였다.
• 자기적 데이터 분석을 통해 반자성 질서의 존재 및 성격을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 물리적 성질 측정을 위해 공기 저항성인 FeSe 기반 초전도체를 합성할 수 있는가?
• RQ2 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe의 정밀한 결정구조는 무엇이며, 다른 FeSe 기반 상들과 어떻게 다를까?
• RQ3 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe에서 반자성 질서가 초전도성과 공존하는가, 만약 그렇다면 어떤 조건에서인가?
• RQ4 XRD, NPD, NMR 기법의 조합은 복잡하고 불규칙한 시스템의 정확한 구조 특성 규명을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 새로운 수소화법을 통해 단일 상, 공기 중에서 안정한 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe를 성공적으로 합성하였으며, 초전도 전이 온도(Tc)는 약 40 K였다.
• X선 및 중성자 회절을 통해 결정구조가 명확히 규명되었으며, 순서가 잘 정돈된 OH와 Li/Fe가 별도의 계층에 배열된 계층적 테트라곤 형상의 구조임을 확인하였다.
• NMR 측정 결과 국소 자성 질서의 존재를 확인하였으며, 이는 반자성 질서와 초전도성의 공존을 시사한다.
• 자화율 및 저항도 측정 결과, 약 40 K에서 명확한 초전도 전이가 관찰되었으며, 경쟁 상의 증거는 발견되지 않았다.
• XRD, NPD, NMR의 조합은 복잡하고 불규칙한 시스템에서의 모호함을 해소하는 보완적 구조적 통찰을 제공하였다.
• 이 시스템에서 초전도성과 반자성 질서의 공존은 전자 상 간의 복잡한 상호작용을 시사하며, 고임계온 철기반 초전도체 메커니즘과 관련이 있다.