[論文レビュー] Fe-based high temperature superconductivity with Tc=31K bordering an insulating antiferromagnet in (Tl,K)FexSe2 Crystals

Minghu Fang, Hangdong Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Iron-based superconductors research参考文献 23被引用数 204

ひとこと要約

本研究では、絶縁性アンチフラストレーション磁性体に近い状態にある (Tl,K)FexSe2結晶に鉄空孔を導入することで、Tc = 31 K の鉄系高温超伝導が同定された。磁性秩序の抑制により超伝導が出現し、強い電子相関が鉄系超伝導体において重要な役割を果たすことを示した。本系は、モット絶縁体状態に近い最初の鉄系超伝導体であると位置づけられる。

ABSTRACT

Up to now, there have been two material families, the cuprates and the iron-based compounds with high-temperature superconductivity (HTSC). An essential open question is whether the two classes of materials share the same essential physics. In both, superconductivity (SC) emerges when an antiferromagnetical (AFM) ordered phase is suppressed. However, in cuprates, the repulsive interaction among the electrons is so strong that the parent compounds are "Mott insulators." By contrast, all iron-based parents are metallic. One perspective is that the iron-based parents are weakly correlated and that the AFM arises from a strong "nesting" of the Fermi surfaces. An alternative view is that the electronic correlations in the parents are still sufficiently strong to place the system close to the boundary between itinerancy and electronic localization. A key strategy to differentiate theses views is to explore whether the iron-based system can be tuned into a Mott insulator. Here we identify an insulating AFM in (Tl,K)FexSe2 by introducing Fe-vacancies and creating superconductivity in the Fe-planar. With the increasing Fe-content, the AFM order is reduced. When the magnetism is eliminated, a superconducting phase with Tc as high as 31K (and a Tc onset as high as 40K) is induced. Our findings indicate that the correlation effect plays a crucial role in the iron-based superconductors. (Tl,K)FexSe2, therefore, represents the first Fe-based high temperature superconductor near an insulating AFM.

研究の動機と目的

• 銅酸化物系超伝導体と同様に、鉄系超伝導体がモット絶縁体状態にチューニング可能かどうかを明らかにすること。
• アンチフラストレーション磁性相に近接する状態を探索することで、鉄系超伝導体における電子相関の役割を解明すること。
• 鉄系超伝導体の母体化合物が、ネスト駆動磁性を示す弱い相関系か、電子局在に近い強い相関系であるかを明確にすること。
• 鉄含有量を調整可能な系において、超伝導とアンチフラストレーション磁性秩序の抑制の直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 鉄空孔濃度を制御することで電子構造をチューニングした (Tl,K)FexSe2 単結晶の合成。
• 電気抵抗率、磁化率、比熱測定を用いてアンチフラストレーション磁性秩序と超伝導転移温度を評価。
• 鉄含有量を系統的に変化させ、アンチフラストレーション絶縁体状態から超伝導状態への遷移を追跡。
• 零抵抗転移点およびマイスナー効果測定により超伝導転移温度 (Tc) を特定。
• 鉄空孔濃度と磁性秩序の抑制、超伝導の出現の相関をもとに相図を分析。
• 強い相関理論モデルと観測結果を比較することで、フェルミ面ネストと強い相関の違いを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄空孔の導入によって、鉄系超伝導体がモット絶縁体状態にチューニング可能か？
• RQ2 (Tl,K)FexSe2 における超伝導の出現は、アンチフラストレーション磁性秩序の抑制と一致するか？
• RQ3 絶縁性アンチフラストレーション磁性相に近接する状態から、鉄系超伝導体における電子相関の役割はどのように明らかになるか？
• RQ4 (Tl,K)FexSe2 の超伝導状態は、モット転移に近接して安定化しており、強い相関効果を示唆するか？
• RQ5 銅酸化物系超伝導体と比較して、(Tl,K)FexSe2 の相図は電子的不安定性の観点でどのように類似しているか？

主な発見

• (Tl,K)FexSe2 に鉄空孔を導入することで、金属的アンチフラストレーション磁性状態から絶縁的アンチフラストレーション磁性状態への遷移が誘導された。
• アンチフラストレーション磁性秩序の抑制に伴い超伝導が出現し、Tc は 31 K、Tc の上昇点は 40 K であった。
• 超伝導状態と絶縁的アンチフラストレーション磁性状態の間の相境界が存在し、モット絶縁体に近い状態であることが示された。
• 超伝導ドームに近接するモット絶縁体相の存在は、鉄系超伝導体における電子相関の重要性を強く裏付けた。
• 観測された相図は銅酸化物系超伝導体と類似しており、相関駆動電子不安定性が共通のメカニズムである可能性を支持した。
• 本研究により、(Tl,K)FexSe2 は、絶縁的アンチフラストレーション磁性状態に近い最初の鉄系高温超伝導体であることが確立された。