[论文解读] Highly mobile carriers in orthorhombic phases of iron-based superconductors FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$

E. A. Ovchenkov, Д. А. Чареев+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 37被引用 8

一句话总结

本研究在正交相FeSe₁₋ₓSₓ超导体中识别出一种高度迁移的电子能带，该能带在四角相中不存在，其来源于接近范霍夫奇点的局域费米面区域。该能带具有约1843 cm²/Vs的迁移率和较低的载流子浓度，解释了正交相样品中对柯勒规则的强烈违背以及异常的霍尔效应和磁阻行为，表明局域电子不稳定性在铁基超导体中起关键作用。

ABSTRACT

The field and temperature dependencies of the longitudinal and Hall resistivity have been measured for FeSe${}_{1-x}$S${}_{x}$ (x=0.04, 0.09 and 0.19) single crystals. The sample FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ does not show a transition to an orthorhombic phase and exhibits at low temperatures the transport properties quite different from those of orthorhombic samples. The behavior of FeSe${}_{0.81}$S${}_{0.19}$ is well described by the simple two band model with comparable values of hole and electron mobility. In particular, at low temperatures the transverse resistance shows a linear field dependence, the magnetoresistance follow a quadratic field dependence and obeys to Kohler's rule. In contrast, Kohler's rule is strongly violated for samples having an orthorhombic low temperature structure. However, the transport properties of the orthorhombic samples can be satisfactory described by the three band model with the pair of almost equivalent to the tetragonal sample hole and electron bands, supplemented with the highly mobile electron band which has two order smaller carrier number. Therefore, the peculiarity of the low temperature transport properties of the orthorhombic Fe(SeS) samples, as probably of many other orthorhombic iron superconductors, is due to the presence of a small number of highly mobile carriers which originate from the local regions of the Fermi surface, presumably, nearby the Van Hove singularity points.

研究动机与目标

• 理解正交相铁基超导体中异常低温输运性质的起源。
• 区分正交相FeSe₁₋ₓSₓ与四角相的电子行为，特别是在磁阻和霍尔效应方面的差异。
• 确定高度迁移载流子是否仅在正交相中出现，及其在费米面拓扑结构中的起源。
• 检验柯勒规则在正交相与四角相中的有效性，并解释其违背现象。
• 将高度迁移载流子的出现与四角相到正交相转变后范霍夫奇点附近的电子不稳定性联系起来。

提出的方法

• 在高质量FeSe₁₋ₓSₓ单晶（x = 0.04, 0.09, 0.19）上测量纵向和霍尔电阻率，施加变化的磁场和温度条件。
• 采用双带模型描述四角相FeSe₀.₈₁S₀.₁₉样品的输运行为，显示横向电阻率与磁场呈线性依赖关系，且磁阻呈二次方依赖。
• 对正交相样品应用三带模型，引入一个具有低载流子浓度的高迁移率电子带。
• 通过分析柯勒规则的偏离，识别正交相中非通用标度行为的存在。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）和能带结构计算，将输运异常与费米面重构及范霍夫奇点附近的临近性联系起来。
• 采用迁移率谱分析，并与先前高质量FeSe数据对比，验证超快载流子的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何FeSe₁₋ₓSₓ的正交相表现出对柯勒规则的强烈违背，而四角相则无此现象？
• RQ2 是什么原因导致高度迁移载流子仅在正交相中出现？
• RQ3 在四角相到正交相转变过程中，费米面重构如何导致特定点附近的载流子迁移率增强？
• RQ4 正交相Fe(SeS)样品中异常霍尔效应和磁阻行为的起源是什么？
• RQ5 费米面的局域区域，特别是范霍夫奇点附近，对正交相铁基超导体输运性质的控制程度如何？

主要发现

• 四角相FeSe₀.₈₁S₀.₁₉样品表现出标准双带输运行为：霍尔电阻率呈线性关系，磁阻呈二次方依赖，且符合柯勒规则。
• 正交相样品（x = 0.04, 0.09）强烈违背柯勒规则，表明存在非通用标度行为和复杂的载流子动力学。
• 仅在正交相中识别出一个具有约1843 cm²/Vs迁移率和低载流子浓度（比主带小两个数量级）的高度迁移电子带。
• 该能带源于接近范霍夫奇点的局域费米面区域，可能由四角相到正交相转变过程中的能带重构引起。
• 在相变点，主空穴带和电子带的载流子浓度均下降数倍，表明存在电子不稳定性及能带宽度减小。
• 结果与Huynh等人（2014）的高质量FeSe数据在定量上一致，支持费米面局域各向异性（特别是在范霍夫奇点附近）在生成超快载流子中的关键作用。