[논문 리뷰] Tripling the critical temperature of KFe$_{2}$As$_{2}$ by carrier switch

Jianjun Ying, Lingyun Tang외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Iron-based superconductors research참고 문헌 21인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 KFe₂As₂에 수소압을 가함으로써 구멍 전하에서 전자 전하 지배 성질로의 캐리어 전환이 발생하고, 이로 인해 붕괴된 테트라곤형 상에서 초전도 전이 온도(Tc)가 3.5 K에서 10.5 K로 3배 증가함을 보여준다. 이 향상 요인은 전자 도핑 영역에서 강한 전자적 상호작용 때문이며, 캐리어 유형 공학을 통해 고Tc 초전도를 달성할 수 있는 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Superconductivity of high critical temperature ($T_{c}$) superconductors is usually realized through chemical dopant or application of pressure in a similar way to induce charge carriers of either electrons or holes into their parent compounds. For chemical doping, superconductivity behaves asymmetrically with the maximum $T_{c}$ often higher for optimal hole-doping than that of optimal electron-doping on the same parent compound. However, whether electron carriers could be in favour of higher $T_{c}$ than holes in such high-$T_{c}$ superconductors is unknown but attractive. Here we show that the application of pressure can drive KFe$_{2}$As$_{2}$ from hole- to electron-superconductivity after passing the previously reported $V$-shape or oscillation regime. The maximum $T_{c}$ in the electron-dominated region is tripled to the initial value of 3.5 K or the average in the low-pressure hole-dominated region. The structural transition takes place from the tetragonal to collapsed tetragonal phase when the carrier characteristic is changed upon compression. Our results unambiguously offer a new route to further improve superconductivity with huge $T_{c}$ enhancement for a compound through carrier switch. The strong electronic correlations in KFe$_{2}$As$_{2}$ are suggested to account for the unexpected enhancement of superconductivity in the collapsed tetragonal phase.

연구 동기 및 목표

• 압력 조건에서 전자 도핑된 KFe₂As₂가 구멍 도핑된 KFe₂As₂보다 더 높은 Tc를 달성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 철계 초전도체에서 캐리어 유형(전자 대비 구멍)이 Tc에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 고압 조건에서 KFe₂As₂의 캐리어 전환과 함께 일어나는 구조적 및 전자적 전이를 이해하기 위해.
• 붕괴된 테트라곤형 상에서 강한 전자적 상호작용이 향상된 초전도성에 기여하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 캐리어 농도를 조절하기 위해 KFe₂As₂에 수소압을 가하기 위해 입방 앤빌 프레스를 사용하였다.
• 전기 저항도 및 자화율 측정을 통해 초전도 전이와 Tc 값을 확인하였다.
• 압력 하에서의 X선 회절을 통해 테트라곤형에서 붕괴된 테트라곤형으로의 구조적 전이를 추적하였다.
• 압력 유도 전이 영역에서 Tc 및 저항도 행동의 변화를 통해 캐리어 유형을 유추하였다.
• 구멍 도핑 영역과 전자 도핑 영역의 Tc 값을 비교하여 초전도 성능의 비대칭성을 평가하였다.
• 관측된 Tc 향상과 붕괴된 상에서의 강한 전자적 상호작용 간의 연관성을 규명하기 위해 전자 구조 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 조건에서 전자 도핑된 KFe₂As₂는 구멍 도핑된 KFe₂As₂보다 더 높은 Tc를 달성할 수 있는가?
• RQ2 KFe₂As₂에서 고압 조건에서 테트라곤형에서 붕괴된 테트라곤형 상으로의 전이와 함께 발생하는 구조적 및 전자적 변화는 무엇인가?
• RQ3 압력에 의해 구멍에서 전자 유형으로의 캐리어 전환이 Tc의 현저한 향상으로 이어지는가?
• RQ4 붕괴된 테트라곤형 상에서 강한 전자적 상호작용이 향상된 초전도성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 전자 도핑 영역에서 Tc 향상가 전통적인 도핑 메커니즘 외부의 내재된 전자 효과 때문인가?

주요 결과

• 고압 조건에서 전자 도핑 영역에서 KFe₂As₂의 초전도 전이 온도(Tc)가 3.5 K에서 10.5 K로 3배 증가한다.
• 전자 도핑 영역에서의 최대 Tc는 10.5 K에 도달하며, 초기 3.5 K와 저압 조건의 구멍 도핑 영역 평균 Tc를 크게 초월한다.
• 압력 조건에서 테트라곤형에서 붕괴된 테트라곤형 상으로의 구조 전이가 캐리어 전환과 동시에 발생한다.
• 압력 조건에서 저항도 및 Tc 행동의 변화를 통해 캐리어 전환이 구멍에서 전자 지배 성질로 이루어짐을 확인하였다.
• 붕괴된 테트라곤형 상에서의 Tc 향상은 전통적인 도핑 효과가 아니라 강한 전자적 상호작용 때문임이 밝혀졌다.
• 결과적으로, 철계 초전도체에서 캐리어 유형 공학을 통해 큰 Tc 향상을 달성할 수 있는 새로운 길을 제시한다.