[논문 리뷰] Two new parent compounds for FeSe-based superconducting phases

Shifeng Jin, Xiaozhi Wu외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 05.

Iron-based superconductors research참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 에틸렌디아민 인터칼레이션된 FeSe에서 두 가지 새로운 초전도성 부모 상을 보고한다: 나트륨 도핑 후 Tc = 38 K인 테트라곤럴 상과 Tc = 46 K인 올리고르모픽 상으로, 둘 다 중성 스퍼터 층에 의해 안정화된다. 2 K까지의 장거리 자성 질서 부재와 초전도성 및 비초전도성 상태 간의 가역 전환은 도핑되지 않은 철 솔페이드가 철 페니크사이드와 다른 초전도 메커니즘을 가지는 양자 패러미agnetic 기저 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

It is well established that the occurrence of superconductivity in iron pnictides is closely related to the tetragonal to orthorhombic structural and antiferromagnetic (AFM) phase transitions. It, however, has not been clear whether the same scenario is appropriate for iron chalcogenide counterparts due to the absence of parent compounds for the latter family of superconductors. Here, we report the synthesis and structure determination of two novel phases in ethylenediamine intercalated FeSe, one is tetragonal and the other orthorhombic in room temperature, which can be stabilized with neutral spacer layers. Both phases can be regarded as the parent compounds for superconductivity as they are non-superconducting (non-SC) in pristine form and superconducting (SC) with Tc up to 38K and 46K, respectively after Na doping, and the switch between SC and no-SC is reversible. Moreover, the two non-SC parent compounds show no evidence of long-range magnetic ordering down to 2K, only with dynamic spin fluctuations at low temperatures, suggesting that no competition between SC and AFM ordering. Our results reveal that undoped iron selenides are quantum paramagnetic in ground state, implying that they are distinct from their pnictide counterparts in pairing mechanism.

연구 동기 및 목표

• FeSe 기반 초전도체의 안정된 부모 화합물을 규명하는 것, 이는 이전에 알려지지 않은 바였다.
• 에틸렌디아민 인터칼레이션된 FeSe 상의 구조적 및 전자적 성질을 조사하는 것.
• 철 페기드라이드에서 관찰된 것처럼, 철 킴테오게니드에서 초전도성과 경쟁하는 장거리 반자성 질서가 존재하는지 확인하는 것.
• 철 솔페이드 기반 시스템의 초전도 메커니즘에서 자성 질서와 스핀 변동의 역할을 명확히 하는 것.
• 도핑 및 도핑 제거를 통한 도핑되지 않은 상에서의 초전도성 및 비초전도성 상태 간의 가역 전이를 확립하는 것.

제안 방법

• 고압 고온 조건에서 에틸렌디아민 인터칼레이션된 FeSe 상의 합성.
• 실온에서 테트라곤럴 및 올리고르모픽 상을 확인하기 위해 X선 회절 및 중성자 회절을 이용한 구조 결정.
• 전기 저항도 및 자화율 측정을 통한 초전도 전이 온도(Tc) 탐색.
• 2 K까지의 저온 자성 특성 측정을 통해 장거리 자성 질서 또는 스핀 변동 탐지.
• 비초전도 부모 상에 대한 체계적 나트륨 도핑을 통한 초전도성 유도 및 가역성 평가.
• 자화율 분석 및 철 페니크사이드 시스템과의 비교를 통한 스핀 역학 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe 기반 초전도체의 안정된 부모 화합물을 합성하고 구조적으로 특성화할 수 있는가?
• RQ2 비초전도 부모 상은 저온에서 장거리 반자성 질서를 나타내는가?
• RQ3 FeSe 기반 시스템에서 도핑 및 도핑 제거에 의해 초전도 전이가 가역적인가?
• RQ4 FeSe 기반 시스템의 자성 성질은 철 페니크사이드와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 도핑되지 않은 FeSe 기반 화합물의 기저 상태에서 스핀 변동의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• 두 가지 새로운 부모 상이 합성되었으며, 각각 테트라곤럴 상과 올리고르모픽 상으로, 원래 상태에서는 비초전도성이다.
• 나트륨 도핑에 의해 테트라곤럴 상과 올리고르모픽 상에서 각각 Tc = 38 K 및 Tc = 46 K의 초전도성이 유도되었다.
• 어느 부모 화합물에서도 2 K까지의 장거리 자성 질서가 관찰되지 않아, 양자 패러미agnetic 기저 상태임을 시사한다.
• 저온에서 동적인 스핀 변동이 탐지되어, 장거리 질서 없이 국소적인 스핀 상관관계가 존재함을 시사한다.
• 나트륨 도핑 및 도핑 제거에 의한 초전도성 및 비초전도성 상태 간의 전이가 가역적임을 확인하였다.
• 경쟁하는 반자성 질서의 부재는 FeSe에서 철 페니크사이드와는 다를 바 있는 초전도 메커니즘을 시사한다.