[論文レビュー] Quenched nematic criticality separating two superconducting domes in an iron-based superconductor under pressure

Pascal Reiss|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 42被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、圧力下におけるFeSe₀.₈₉S₀.₁₁において、ネマチック量子臨界点が抑制されたことが明らかになった。この臨界点では、量子相転移に近接しているにもかかわらず、ネマチック揺らぎが超伝導性を強化しない。静水圧および高磁場量子揺らぎを用いて、2つの超伝導領域を分けるライフシッツ遷移を同定した。1つはネマチック相からの小さなフェルミ面と強い電子相関を示し、もう1つは大きなフェルミ面と弱い相関を示し、磁性秩序によって安定化される。

ABSTRACT

The nematic electronic state and its associated nematic critical fluctuations have emerged as potential candidates for superconducting pairing in various unconventional superconductors. However, in most materials their coexistence with other magnetically-ordered phases poses significant challenges in establishing their importance. Here, by combining chemical and hydrostatic physical pressure in FeSe$_{0.89}$S$_{0.11}$, we provide a unique access to a clean nematic quantum phase transition in the absence of a long-range magnetic order. We find that in the proximity of the nematic phase transition, there is an unusual non-Fermi liquid behavior in resistivity at high temperatures that evolves into a Fermi liquid behaviour at the lowest temperatures. From quantum oscillations in high magnetic fields, we trace the evolution of the Fermi surface and electronic correlations as a function of applied pressure. We detect experimentally a Lifshitz transition that separates two distinct superconducting regions: one emerging from the nematic electronic phase with a small Fermi surface and strong electronic correlations and the other one with a large Fermi surface and weak correlations that promotes nesting and stabilization of a magnetically-ordered phase at high pressures. The lack of mass divergence suggests that the nematic critical fluctuations are quenched by the strong coupling to the lattice. This establishes that superconductivity is not enhanced at the nematic quantum phase transition in the absence of magnetic order.

研究の動機と目的

• 長距離磁性秩序を排除することで、鉄系超伝導体におけるクリーンなネマチック量子相転移を分離・研究すること。
• 競合する磁性相が存在しない状況で、ネマチック臨界揺らぎが超伝導ペアリングに果たす役割を調査すること。
• 高圧および高磁場測定を用いて、ネマチック転移に伴うフェルミ面の進化と電子相関の変化を調査すること。
• 磁性秩序が抑制された状況で、ネマチック量子臨界点における超伝導性が強化されるかどうかを特定すること。

提案手法

• 磁性秩序を抑制し、ネマチック量子臨界点を安定化させるために、化学ドーピング（FeSeにおけるS置換）と静水圧を併用すること。
• 高圧下での電気抵抗測定により、温度領域にわたる非フェルミ液体的およびフェルミ液体的挙動を検出すること。
• 高磁場量子揺らぎ実験を用いて、フェルミ面トポロジーと有効質量の進化を追跡すること。
• フェルミ面トポロジーと有効質量の変化を通じてライフシッツ遷移を分析し、電子構造におけるトポロジカル変化を示すこと。
• 2つの異なる超伝導領域における電子相関とフェルミ面サイズの比較を通じて、ペアリングメカニズムを評価すること。
• 磁性秩序を避けるために圧力をチューニングパラメータとして用い、ネマチック臨界性のクリーンな観察を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeベースの超伝導体において、磁性秩序が存在しない状況で、ネマチック臨界性が超伝導性を強化するか？
• RQ2 静水圧下におけるネマチック量子相転移に伴い、フェルミ面はどのように進化するか？
• RQ3 電子相関は、ネマチック相と磁性秩序相の両方において、超伝導性の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 2つの異なるフェルミ面サイズと相関強度を持つ超伝導領域を分けるライフシッツ遷移の証拠はあるか？
• RQ5 強い揺らぎがあるにもかかわらず、なぜネマチック量子臨界点で超伝導性が強化されないのか？

主な発見

• 高温域でネマチック量子臨界点に近接する領域において、非フェルミ液体的抵抗挙動が観測され、低温域ではフェルミ液体的挙動に移行する。
• 高磁場量子揺らぎにより、2つの異なるフェルミ面トポロジーを持つ超伝導領域を分けるライフシッツ遷移が明らかになった。
• 1つの超伝導ドームはネマチック相から生じ、小さなフェルミ面と強い電子相関を示す。
• 2番目の超伝導ドームは大きなフェルミ面と弱い相関を示し、高圧域でネスティングを促進し、磁性秩序相の安定化を助ける。
• 有効質量の発散がないことから、ネマチック臨界揺らぎは強い電子-格子結合によって抑制されていることが示唆される。
• 磁性秩序が抑制された状況でも、ネマチック量子臨界点で超伝導性が強化されないため、ネマチック揺らぎそのものがペアリングを強化するわけではないと示唆される。