[논문 리뷰] Evolution of high-temperature superconductivity from low-Tc phase tuned by carrier concentration in FeSe thin flakes

Bin Lei, Jianhua Cui외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 02.

Iron-based superconductors research인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 FeSe 박막에 액체 게이팅을 통해 전자 도핑을 실시함으로써 외부 압력이나 에pitaxial 인터페이스 없이도 낮은 Tc 초전도상태에서 높은 Tc 상태로의 전이를 유도함을 보여준다. Tc는 48 K에 도달한다. 이 전이 과정는 Lifshitz 전이와 동시에 발생하며, 이는 실질적으로 전하 운반자 농도 조절만으로도 밀도가 높은 FeSe에서 고온 초전도성을 안정화시킬 수 있음을 시사한다. 이는 철기반 초전도체의 쌍성 메커니즘에 대한 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

In contrast to bulk FeSe superconductor, heavily electron-doped FeSe-derived superconductors show relatively high Tc without hole Fermi surfaces and nodal superconducting gap structure, which pose great challenges on pairing theories in the iron-based superconductors. In the heavily electron-doped FeSe-based superconductors, the dominant factors and the exact working mechanism that is responsible for the high Tc need to be clarified. In particular, a clean control of carrier concentration remains to be a challenge for revealing how superconductivity and Fermi surface topology evolves with carrier concentration in bulk FeSe. Here, we report the evolution of superconductivity in the FeSe thin flake with systematically regulated carrier concentrations by liquid-gating technique. High-temperature superconductivity at 48 K can be achieved only with electron doping tuned by gate voltage in FeSe thin flake with Tc less than 10 K. This is the first time to achieve such a high temperature superconductivity in FeSe without either epitaxial interface or external pressure. It definitely proves that the simple electron-doping process is able to induce high-temperature superconductivity with Tc as high as 48 K in bulk FeSe. Intriguingly, our data also indicates that the superconductivity is suddenly changed from low-Tc phase to high-Tc phase with a Lifshitz transition at certain carrier concentration. These results help us to build a unified picture to understand the high-temperature superconductivity among all FeSe-derived superconductors and shed light on further pursuit of higher Tc in these materials.

연구 동기 및 목표

• FeSe에서 초전도 전이 온도(Tc) 조절에 있어 전하 운반자 농도의 역할을 명확히 하기 위해.
• 제어된 전자 도핑 조건 하에서 밀도가 높은 FeSe에서의 초전도성 및 패피 표면 기하학의 진화를 조사하기 위해.
• FeSe에서 고-Tc 초전도성이 에pitaxial 인터페이스나 외부 압력 없이도 달성될 수 있는지 확인하기 위해.
• 전자 도핑된 FeSe에서 고-Tc 초전도성의 발생 배경이 되는 미시적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 체계적인 전하 운반자 농도 조절을 통해 FeSe 유도 초전도체 물질들 간의 초전도성에 대한 통합적 이해를 수립하기 위해.

제안 방법

• 이sovated된 FeSe 박막에서 전자 운반자 농도를 정밀하게 조절하기 위해 액체 게이팅 기술을 사용하였다.
• 운반자 농도 및 초전도 전이 온도(Tc) 모니터링을 위해 전기적 성질 측정(저항 및 홀 효과)을 수행하였다.
• 지속적인 전자 도핑을 유도하고 초전도 및 전자적 성질의 진화를 탐색하기 위해 게이트 전압을 체계적으로 변화시켰다.
• 홀 측정 결과를 바탕으로 패피 표면 기하학을 유추하였으며, 이를 초전도 상 전이와 연관지어 분석하였다.
• 특정 도핑 농도에서 운반자 농도 및 전자 구조의 비연속적 변화를 관찰함으로써 Lifshitz 전이 존재를 확인하였다.
• 이론 모델과 Tc의 진화를 비교함으로써 주요 쌍성 메커니즘을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 압력이나 인공적 인터페이스 없이도 전자 도핑만으로 FeSe에서 고-Tc 초전도성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 FeSe 박막에서 전자 운반자 농도가 증가함에 따라 초전도 전이 온도(Tc)는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 초전도 상이 낮은 Tc에서 높은 Tc로 급격히 전이되는 임계 전하 운반자 농도가 존재하는가?
• RQ4 패피 표면 기하학 변화(Lifshitz 전이)가 FeSe에서 고-Tc 초전도성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 전자 도핑된 FeSe에서 고-Tc 초전도성이 발생하는 데 기여하는 주요 쌍성 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 외부 압력이나 에pitaxial 인터페이스 없이도 액체 게이팅에 의한 전자 도핑을 통해 FeSe 박막에서 최대 48 K의 고온 초전도성을 달성하였다.
• 비판적 전자 운반자 농도에서 낮은 Tc 초전도상태(Tc < 10 K)에서 높은 Tc 상태(Tc = 48 K)로의 급격한 전이가 발생하였다.
• 이 전이 과정는 운반자 농도 및 패피 표면 기하학의 비연속적 변화로 나타나는 Lifshitz 전이와 동시에 발생하였다.
• 초전도성의 진화는 직접적으로 전하 운반자 농도에 연관되어 있었으며, 이는 전자 도핑만으로도 밀도가 높은 FeSe에서 고-Tc 초전도성을 안정화시킬 수 있음을 시사한다.
• 결과는 FeSe 유도 초전도체에서 쌍성 메커니즘이 Lifshitz 점에서의 전자 구조 변화에 의해 강하게 영향을 받을 수 있음을 시사한다.
• 이러한 발견은 전자 구조의 위상과 도핑의 역할을 강조하며, FeSe 기반 물질들 간의 고-Tc 초전도성에 대한 통합적 이해를 강력히 뒷받침한다.