[论文解读] Magnetothermoelectric effects in Fe{1+d}Te{1-x}Se{x}

Marcin Matusiak, E. Pomjakushina+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 29被引用 5

一句话总结

本研究通过研究Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ单晶的磁热电输运特性，探究自旋涨落在铁基超导体中的作用。结果表明，硒掺杂抑制了(π,0)自旋涨落，导致在接近掺杂的超导样品中出现发散的低温行为，热电响应主要由对(π,π)涨落敏感的单一能带主导，提示该能带可能承载超导性。

ABSTRACT

We report resistivity as well as the Hall, Seebeck and Nernst coefficients data for Fe{1+d}Te{1-x}Se{x} single crystals with x = 0, 0.38, and 0.40. In the parent compound Fe{1.04}Te we observe at Tn = 61 K a sudden change of all quantities studied, which can be ascribed to the Fermi surface reconstruction due to onset of the antiferromagnetic order. Two very closely doped samples: Fe{1.01}Te{0.62}Se{0.38} (Se38) and Fe{1.01}Te{0.60}Se{0.40} (Se40) are superconductors with Tc = 13.4 K and 13.9 K, respectively. There are no evident magnetic transitions in either Se38 or Se40. Properties of these two single crystals are almost identical at high temperatures, but start to diverge below T ~ 80 K. Perhaps we see the onset of scattering that might be a related to changes in short range magnetic correlations caused by selenium doping.

研究动机与目标

• 理解硒掺杂对Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ中自旋涨落及其对电子输运影响的作用。
• 探究(π,0)与(π,π)自旋涨落在铁族硫属化物中是否共存或竞争，以及其对超导配对的影响。
• 确定不同导电能带对磁性和热电扰动的响应是否不同，特别是在接近超导性的正常态下。
• 阐明在约80 K以下，两个几乎相同的超导样品（Se38和Se40）中出现发散输运行为的起源。
• 评估化学势变化或散射机制是否解释了热电和Nernst响应中观察到的低温异常。

提出的方法

• 采用高纯元素改进的布里奇曼法生长了Fe₁.₀₄Te、Fe₁.₀₁Te₀.₆₂Se₀.₃₈（Se38）和Fe₁.₀₁Te₀.₆₀Se₀.₄₀（Se40）单晶。
• 通过能量色散X射线（EDX）分析验证了化学成分，确认硒含量存在微小差异（x = 0.38 和 0.40）。
• 输运测量包括四探针电阻率、霍尔效应（采用场反向技术）、塞贝克系数以及在±12.5 T磁场下的Nernst效应。
• 分析Nernst和霍尔信号的磁场依赖性，以分离奇-和偶-场依赖分量，从而提取本征的热电和磁响应。
• 理论分析考虑了多带输运，包括Nernst效应中的双极性贡献，以及温度依赖化学势（μ）在热功率（S）中的作用。
• 结合非弹性中子散射结果，解释数据表明(π,0)与(π,π)自旋涨落共存，其中后者在超导区域占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 硒掺杂如何影响Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ中(π,0)与(π,π)自旋涨落之间的竞争？
• RQ2 为何两个几乎相同的超导样品（Se38和Se40）在约80 K以下表现出发散的输运行为？
• RQ3 在正常态下，哪个导电能带主导热电和Nernst响应，其与自旋涨落的耦合机制如何？
• RQ4 化学势变化或散射机制在多大程度上解释了塞贝克系数和Nernst系数中观察到的异常？
• RQ5 硒掺杂对(π,0)自旋涨落的抑制是否导致Se40中出现体超导性，而Se38中未出现？

主要发现

• 在Fe₁.₀₄Te中，Tₙ = 61 K处出现的锐变导致电阻率、霍尔系数、塞贝克系数和Nernst信号发生突变，表明由于反铁磁(π,0)序引起的费米面重构。
• Fe₁.₀₄Te的Nernst信号在高达12.5 T的磁场下无场依赖性，表明存在强磁耦合且无显著磁场诱导效应。
• Se38（Tc = 13.4 K）和Se40（Tc = 13.9 K）均为超导体，但Nernst和磁化率数据表明Se38中不存在体超导性，而Se40中存在。
• 在约80 K以下，Se38与Se40的电阻率和霍尔系数出现发散，表明其具有不同的散射机制或电子关联。
• 塞贝克系数和Nernst系数受外界影响微弱，表明热电输运主要由对(π,π)自旋涨落敏感的单一电子型能带主导。
• 在约60 K以下，Nernst系数突然下降并发生符号反转，表明低温Nernst响应主要由一个能带主导，该能带很可能是超导性的主要载流子通道。