[论文解读] Mechanism of High Temperature Superconductivity in Mesoscopically Phase-Separated Ternary Iron Selenides

Shin-Ming Huang, Chung‐Yu Mou+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2013

Iron-based superconductors research被引用 2

一句话总结

本研究揭示，在介观相分离的 K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ 中，尽管层间跃迁会扭曲费米面（通常抑制超导性），反铁磁（AF）序却能增强超导转变温度（$T_c$）。反直觉的是，更强的 AF 序与更高的 $T_c$ 相关联，且降低层间跃迁可能稳定一个 2D 本征超导相，其 $T_c \sim 65K$，远高于观测值。

ABSTRACT

We examine superconductivity in the mesoscopically mixed antiferromagnetic(AF) and superconducting (SC) phases of ternary iron selenides K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$. It is shown that the interlayer hopping and AF order are key factors to determine $T_{c}$ of the SC phase. In general, the hopping will produce deformed Fermi surfaces (FS's) that tend to suppress superconductivity. However, contrary to the common expectation, we find that larger AF order actually results in larger SC order, which explains the observed relatively high $T_{c}$ in these phases. Furthermore our results indicate that by reducing the interlayer hopping appropriately, phase-separated K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ may exhibit its intrinsic SC phase in the two dimensional limit with a much higher $T_{c}$ ($\sim 65K$) than what has been observed.

研究动机与目标

• 理解介观相分离的三元铁硒化物 K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ 中高 $T_c$ 的机制。
• 解决一个悖论：层间跃迁会扭曲费米面并通常抑制超导性，但在这些材料中却与增强的 $T_c$ 共存。
• 确定反铁磁（AF）序与层间跃迁如何共同影响超导相中的 $T_c$。
• 预测通过将系统工程化为层间跃迁被抑制的二维极限，可能实现更高本征 $T_c$ 的潜力。

提出的方法

• 本研究采用理论多体框架，模拟 K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ 中反铁磁（AF）序与超导（SC）配对之间的相互作用。
• 分析层间跃迁对费米面拓扑的影响，表明此类跃迁会导致费米面变形。
• 研究者采用平均场方法，计算超导序参量随 AF 序参量和层间跃迁强度的变化。
• 推导 $T_c$ 与 AF 序及层间跃迁的依赖关系，揭示 $T_c$ 随 AF 序增强呈非单调提升。
• 通过将层间跃迁减小至零，将模型外推至二维极限，预测超导相的本征 $T_c$。

实验结果

研究问题

• RQ1 层间跃迁如何影响介观相分离的 K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ 中的超导转变温度 $T_c$？
• RQ2 为何在这些材料中，增加反铁磁（AF）序会导致更高的 $T_c$，与费米面畸变通常抑制超导性的预期相反？
• RQ3 在层间跃迁引起费米面畸变的情况下，AF 序在稳定超导性中起什么作用？
• RQ4 通过降低层间跃迁是否可增强超导相的本征 $T_c$？在二维极限下其值可能达到多高？

主要发现

• 更大的反铁磁（AF）序导致更高的超导转变温度（$T_c$），与费米面因层间跃迁而畸变通常会抑制超导性的预期相反。
• 层间跃迁会扭曲费米面，通常抑制超导性，但在该体系中，其影响被 AF 序的稳定作用所覆盖。
• 强 AF 序与增强的 $T_c$ 共存，表明磁序与超导序在相分离态中存在非平凡的相互作用。
• 降低层间跃迁可抑制费米面畸变，从而允许本征超导相出现，预测在二维极限下其 $T_c \sim 65K$。
• 结果表明，块体 K$_{y}$Fe$_{2-x}$Se$_{2}$ 中观测到的 $T_c$ 并非本征值，而是受层间耦合抑制所致，通过二维工程可显著提升。