[논문 리뷰] The pseudogap behavior in the stoichiometric FeSe superconductor (Tc~9.4 K)

Yoo Jang Song, Jong Beom Hong외 5명|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 11.

Iron-based superconductors research참고 문헌 1인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 저항률 곡률 매핑, 세벡 계수 및 자화율 측정을 통해 스토이키오메트릭 FeSe(Tc ≈ 9.4 K)에서 허위 갭 유사 거동를 보고하며, T* ≈ 110 K에서 특성 에너지 스케일을 규명하였다. 본 연구는 FeSe가 단순한 철 telluride계 초전도체 시스템에서 초전도성과 관련된 복잡한 many-body 효과를 유도하는 다수의 전자적 이질현상이 T* 근처에서 나타남을 입증하였다. 특히 30 K 근처에서 저항률의 두 번째 도함수와 세벡 계수의 부호 변화가 관찰되어 초전도성과 관련된 복잡한 many-body 효과가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

This paper reports the synthesis and superconducting behaviors of the tetragonal iron-chalcogenide superconductor FeSe. The electrical resistivity and magnetic moment measurements confirmed its superconductivity with a $T_c^{zero}$ and $T_c^{mag}$ at 9.4 K under ambient pressure. EPMA indicated the sample to have a stoichiometric Fe:Se ratio of 1:1 ($\pm$0.02). The Seebeck coefficient which was 12.3 $μ$V/K at room temperature, changed to a negative value near 200 K, indicating it to be a two carriers material. Above $T_c$, the $ρ(T)$ curve revealed an 'S' shape. Hence $dρ(T)/dT$, and $d^2ρ(T)/dT^2$ showed pseudogap-like behavior at $T^*$=110 K according to the resistivity curvature mapping (RCM) method for high $T_c$ cuprates. Moreover, the magnetoresistance $ρ_H(T)/ρ_{H=0}$ under a magnetic field and the Seebeck coefficient $S(T)$ revealed revealed pseudogap-like behavior near $T^*$. Interestingly, at the same temperature, 30 K, the sign of $S(T)$ and all signs of $d^2ρ(T)/dT^2$ changed from negative to positive above $T_c$.

연구 동기 및 목표

• Tc ≈ 9.4 K인 스토이키오메트릭 FeSe(Fe:Se = 1:1)의 전자적 거동을 초전도성 이질현상 위주로 분석하고, Tc 이상에서 발생하는 비초전도성 이질현상에 초점을 맞춘다.
• 이전에 고임계 초전도체에서 관찰된 바 있는 허위 갭 유사 거동이 단순한 철 telluride계인 FeSe에서도 나타나는가를 규명한다.
• 30 K 및 110 K 근처에서 관찰된 세벡 계수와 저항률 곡률의 이례적인 부호 변화의 기원을 탐색한다.
• 운반, 열전기 및 자성 반응을 연계하여 깨끗하고 스토이키오메트릭한 FeSe 시스템 내 전자적 불안정성을 규명한다.
• 다결정 FeSe의 임계 전류 밀도(Jc)를 측정하고 분석하여 실용적 응용 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 표면 농도가 Fe:Se = 1:1.15인 스토이키오메트릭 FeSe를 Se 자기플럭스 방법으로 합성하였으며, 전자 프로브 미세분석(EPMA)을 통해 Fe:Se = 1:1 ± 0.02로 확인하였다.
• 0 T 및 적용자장(1–9 T) 하에서 4 K에서 200 K까지의 저항률 측정을 사포법으로 수행하였으며, 저항률 곡률 매핑(RCM)을 활용하여 허위 갭 유사 특징을 탐지하였다.
• 운반성과 관련된 실체의 종류 및 농도 변화를 분석하기 위해 4 K에서 300 K까지 세벡 계수(S)를 측정하였으며, 특히 200 K 및 30 K 근처에서의 부호 전환이 주목된다.
• MPMS를 이용해 자화도를 측정하여, 영자장 냉각 조건에서 Tc^mag = 9.4 K로 Tc를 규명하였고, M-H 히스테리시스 루프를 기반으로 벤 모델을 적용하여 임계 전류 밀도(Jc)를 추출하였다.
• 초전도체에서 처음으로 개발된 RCM 방법을 적용하여, d²ρ/dT²의 부호 변화를 통해 T* ≈ 110 K에서 허위 갭 유사 거동가 나타남을 규명하였다.
• 자기장 의존성 저항률 ρH(T)/ρH=0을 분석하여, T* 근처에서 산란의 억제가 관찰되는 허위 갭 유사 특징을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고임계 초전도체와 유사하게, 저항률 곡률 매핑에 의해 나타나는 허위 갭 유사 거동이 Tc 이상에서 FeSe에서도 관찰되는가?
• RQ2 스토이키오메트릭 FeSe에서 200 K 근처와 30 K 근처에서 관찰된 세벡 계수의 부호 변화는 어떤 기원을 가진다?
• RQ3 RCM를 통해 도출된 T* ≈ 110 K는 저항률, 자화율, 세벡 계수 등 다양한 측정 수단에서 일관되게 나타나는가?
• RQ4 다결정 FeSe의 임계 전류 밀도(Jc)는 다른 철 기초 초전도체와 비교하여 어떠한가? 이는 미세구조 및 펌핑 특성에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• Fe:Se = 1:1 ± 0.02인 스토이키오메트릭 FeSe는 성공적으로 합성되었으며, 저항률 0 K에서 Tc = 9.4 K, 자화도 기반 Tc^mag = 9.4 K로 나타났다.
• Tc 이상에서 저항률 곡선이 'S'자 형태를 보였고, RCM 분석을 통해 d²ρ/dT²의 부호 변화로 인해 T* ≈ 110 K에서 허위 갭 유사 특징이 확인되었다.
• 세벡 계수(S)는 실온에서 양수(12.3 μV/K)였으며, 약 200 K 근처에서 부호가 전환되었고, 약 115 K 근처에서 음수 최대치를 통과하여 이중 운반체 도핑 특성을 시사하였다.
• d²ρ/dT²와 S(T) 모두 30 K 근처에서 음수에서 양수로의 부호 변화를 보였으며, 이는 Tc 이상에서 이전에 보고된 바 없는 이례적 현상이다.
• 자화율 ρH(T)/ρH=0과 세벡 계수 S(T) 모두 T* ≈ 110 K 근처에서 허위 갭 유사 억제를 보여, 다양한 측정 수단 간 일관성이 확인되었다.
• 임계 전류 밀도(Jc)는 영자장에서 10²–10⁴ A/cm²로 측정되었으며, 이는 결정립 경계 산란과 낮은 운반체 농도로 인한 중간 수준의 성능을 시사한다.