[논문 리뷰] Superconducting properties of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ under pressure

Vadim Grinenko, W. Schottenhamel외 19명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 27.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수압 및 Na doping 조건 하에서 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂의 초전도 및 정상 상태 성질을 조사한다. Na 치환은 다양한 준입자 질량을 가지는 다성분 효과로 인해 비페르미 액체 저항도 행동을 유도하는 것으로 나타났으며, Tc 감소는 주로 격자 압축이 아닌 실수성으로 인한 쌍파괴에 의해 주로 결정된다. Tc의 압력 의존성은 약 2 GPa 부근에서 얕은 최솟값을 보이며, 대칭 변화 없이 xz+yz 유도 밴드의 비단조화 밀도 상태에 의해 설명된다.

ABSTRACT

The effect of hydrostatic pressure and partial Na substitution on the normal-state properties and the superconducting transition temperature ($T_c$) of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ single crystals were investigated. It was found that a partial Na substitution leads to a deviation from the standard $T^2$ Fermi-liquid behavior in the temperature dependence of the normal-state resistivity. It was demonstrated that non-Fermi liquid like behavior of the resistivity for K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ and some KFe$_2$As$_2$ samples can be explained by disorder effect in the multiband system with rather different quasiparticle effective masses. Concerning the superconducting state our data support the presence of a shallow minimum around 2 GPa in the pressure dependence of $T_c$ for stoichiometric KFe$_2$As$_2$. The analysis of $T_c$ in the K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ at pressures below 1.5 GPa showed, that the reduction of $T_c$ with Na substitution follows the Abrikosov-Gor'kov law with the critical temperature $T_{c0}$ of the clean system (without pair-breaking) which linearly depends on the pressure. Our observations, also, suggest that $T_c$ of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ is nearly independent of the lattice compression produced by the Na substitution. Further, we theoretically analyzed the behavior of the band structure under pressure within the generalized gradient approximation (GGA). A qualitative agreement between the calculated and the recently in de Haas-van Alphen experiments [T. Terashima et al., Phys.Rev.B89, 134520(2014)] measured pressure dependencies of the Fermi-surface cross-sections has been found. These calculations, also, indicate that the observed minimum around 2~GPa in the pressure dependence of $T_c$ may occur without a change of the pairing symmetry.

연구 동기 및 목표

• K₁₋ₓNaₓFe₂As₂ 단결정에서 수압 및 Na 도핑이 초전도 전이 온도(Tc) 및 정상 상태 저항도에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• Na 도핑에 의한 격자 압축이 Tc에 크게 영향을 미치는지 아니면 Tc 감소가 전자적 실수성에 의해 지배되는지 확인하기 위해.
• 관찰된 비페르미 액체 저항도 및 압력 하에서의 비단조화 Tc에 기여하는 전자 상호작용 및 피어미 표면 기하학의 역할을 평가하기 위해.
• 화학적 도핑과 수압을 동시에 가했을 때 Tc 감소를 기술하는 아브리코소프-고르크 표준 이론의 타당성을 시험하기 위해.
• GGA 이론적 밴드 구조 계산과 de Haas-van Alphen 측정치를 비교하여 2 GPa 부근의 Tc 최솟값의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 3 GPa까지의 수압을 이용한 입방 압착기로 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂ 단결정에서 고압 저항도 및 자화도 측정을 수행하였다.
• 정상 상태 저항도를 분석하여 운반 계수를 추출하고 T² 페르미 액체 행동에서의 이탈을 확인하였다.
• 청정한 극한에서의 압력 의존성 Tc0(P)를 사용하여 Na 농도에 따른 Tc 감소를 아브리코소프-고르크 이론으로 스케일링하였다.
• 일반화된 기울기 근사(GGA)에 기반한 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 피어미 표면 단면 및 효과적 질량을 계산하였다.
• Terashima 등(2014)의 실험 데이터와 이론적 dHvA 주파수 및 효과적 질량을 비교하여 밴드 구조 예측의 타당성을 검증하였다.
• 압력 의존성 총 밀도 상태(TDOS) 및 xz+yz 유도 밴드의 부분 밀도 상태를 평가하여 Tc 감소에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂에서 Na 치환이 비페르미 액체 저항도를 유도하는가? 만약 그렇다면 그 미세한 기원은 무엇인가?
• RQ2 Na 도핑에 의한 Tc 감소는 주로 격자 압축 때문인가, 아니면 전자적 실수성(pair-breaking) 때문인가?
• RQ3 압력 하에서 관찰된 약 2 GPa 부근의 Tc 최솟값은 리프슈츠 전이 또는 쌍파괴 대칭 변화에 기인하는가?
• RQ4 GGA를 통해 계산된 피어미 표면 단면 및 효과적 질량이 de Haas-van Alphen 실험 결과와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 Tc의 압력 및 도핑 의존성이 아브리코소프-고르크 스케일링 법칙으로 통합적으로 기술될 수 있는가? 이는 공통된 쌍파괴 대칭을 의미하는가?

주요 결과

• Na 치환은 T² 저항도 행동에서의 이탈을 유도하며, 이는 내재된 비페르미 액체 물리학이 아닌 강하게 다른 준입자 효과 질량을 가지는 다성분 효과에 기인한다.
• Na 도핑에 따른 Tc 감소는 아브리코소프-고르크 법칙을 따르며, 주된 메커니즘이 격자 압축이 아니라 전자적 실수성에 의한 쌍파괴임을 확인한다.
• 2 GPa 부근에서 관측된 Tc 최솟값은 쌍파괴 대칭 변화와 관련이 없으며, GGA 계산에 의해 xz+yz 유도 밴드에서 비단조화 부분 밀도 상태가 존재함을 확인함으로써 설명된다.
• GGA 계산은 피어미 표면 단면에서 de Haas-van Alphen 실험과 정성적으로 일치하지만, 효과적 질량은 과소평가되어 강한 전자 상호작용을 시사한다.
• 3 GPa까지의 압력 범위에서 피어미 수준의 총 밀도 상태는 15% 이내로 변화하며, 이는 운반 측정치에서 이러한 미세한 DOS 변화를 감지할 수 없음을 의미한다. 이는 거의 압력에 의존하지 않는 홀 계수 및 잔류 저항도와 일치한다.
• CsFe₂As₂의 Tc 압력 의존성이 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂와 동일한 아브리코소프-고르크 스케일링 곡선에 맞추어지며, 이는 이러한 122-122 체계 간에 공통된 쌍파괴 대칭이 존재함을 시사한다.