[论文解读] Emergence of superconductivity in strongly correlated hole-dominated Fe1-xSe

S. L. Ni, Jianping Sun+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过研究非化学计量比和近乎化学计量比的单晶，建立了Fe1-xSe的完整相图，揭示了空穴主导的Fe1-xSe中强电子关联性在电子掺杂下导致超导性的出现。超导穹顶出现在强关联的空穴富集区域，而四角相到正交相的转变仅在电子主导区域的较高电子掺杂水平下持续存在。

ABSTRACT

Here we establish a more complete phase diagram for FeSe system, based on experimental results of nonstoichiometric Fe1-xSe single crystals that we have developed recently, as well as nearly stoichiometric FeSe single crystals. The electronic correlation is found to be strongly enhanced in hole-dominated Fe1-xSe, as compared with electron-dominated FeSe, from the magnetic susceptibility and electrical transport measurements in the normal state. A superconducting dome is found to emerge starting from the strongly correlated hole-dominated regime with electron doping, while the tetragonal-orthorhombic phase transition at ~90 K is observed only at higher electron-doping levels in the electron-dominated regime.

研究动机与目标

• 绘制Fe1-xSe在不同空穴和电子掺杂水平下的完整相图。
• 研究空穴主导的Fe1-xSe中电子关联性与电子主导相的对比作用。
• 确定在强关联区域中，超导性出现的条件。
• 阐明FeSe中结构相变与超导序之间的关系。
• 通过使用高质量的非化学计量比和近乎化学计量比的单晶，解决先前研究中的不一致之处。

提出的方法

• 合成具有可控非化学计量偏离的高质量非化学计量比Fe1-xSe单晶。
• 通过磁化率测量探测正常态中的电子关联性。
• 通过电输运测量识别超导转变和相界。
• 系统性地改变掺杂水平，追踪超导穹顶和结构相变的演化。
• 在空穴主导和电子主导区域之间进行比较，以评估关联强度。
• 利用高分辨率数据构建FeSe的精细化相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 与电子主导的FeSe相比，空穴主导的Fe1-xSe中电子关联性如何演化？
• RQ2 在Fe1-xSe的强关联空穴富集区域中，超导性在何种掺杂水平下出现？
• RQ3 Fe1-xSe中四角相到正交相的结构转变与超导序之间存在何种关系？
• RQ4 超导穹顶是否延伸至相图的空穴主导区域？
• RQ5 非化学计量比和近乎化学计量比的Fe1-xSe单晶在电子和超导性质上存在哪些差异？

主要发现

• 磁化率和输运数据表明，与电子主导的FeSe相比，空穴主导的Fe1-xSe中电子关联性显著增强。
• 在电子掺杂下，空穴主导区域出现超导穹顶，表明超导性在强关联环境中得以稳定。
• 约90 K的四角相到正交相转变仅在较高电子掺杂水平下被观测到，表明其在空穴富集区域被抑制。
• 相图清晰区分了空穴主导和电子主导Fe1-xSe的电子行为，表明超导性仅在空穴主导区域经电子掺杂后出现。
• 高质量单晶使相边界得以精确绘制，解决了先前研究中的不一致。
• 结果支持一种情景：空穴掺杂区域中的强关联性在FeSe超导性中起关键媒介作用。