[论文解读] Non-Fermi liquid behavior of electrical resistivity close to the nematic critical point in Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$

Takahiro Urata, Yoichi Tanabe+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2016

Iron-based superconductors research被引用 11

一句话总结

本研究调查了在向列量子临界点（QCP）附近的 Fe₁₋ₓCoₓSe 和 FeSe₁₋ᵧSᵧ 单晶中非费米液体（nFL）电阻率行为。通过温度和磁场依赖的电阻率测量，发现在 y = 0.160 时，FeSe₁₋ᵧSᵧ 表现出 T 线性电阻率，表明存在强烈的向列量子涨落；而在更高掺杂浓度（y = 0.212）时，出现向费米液体 T² 行为的交叉，证实向列 QCP 位于 y ≈ 0.160 附近。

ABSTRACT

Temperature dependence of resistivity of single crystals of Fe$_{1-x}$Co$_x$Se and FeSe$_{1-y}$S$_y$ is studied in detail under zero and high magnetic field (magnetoresistance), the latter of which enables to monitor the temperature ($T$) evolution of resistivity below the onset of superconducting transition temperature ($T_{ m c}$). In FeSe$_{1-y}$S$_y$, $T$-linear dependence of resistivity is prominent in $y$ = 0.160 below 40 K, whereas it changes to a Fermi-liquid(FL)-like $T^2$ one below 10 K in $y$ = 0.212. These suggest that the quantum critical point (QCP) originating from the electronic nematicity resides around $y$ = 0.160 and the fluctuation in QCP gives rise anomalous $T$-linear dependence in resistivity in a wide $T$ range. In Fe$_{1-x}$Co$_x$Se, resistivity gradually changes from linear- to quadratic- $T$-dependent one at low temperatures in the range between $x$ = 0.036 and 0.075. These could be interpreted by scenarios of both the nematic QCP and the crossover in the ground states between the orthorhombic nematic phase and the tetragonal phase. The anomalies found as $T$-linear resistivity are discussed in terms of orbital and spin fluctuation arising from the nematic QCP.

研究动机与目标

• 在向列量子临界点（QCP）附近识别 Fe₁₋ₓCoₓSe 和 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中的非费米液体（nFL）电阻率行为。
• 确定向列量子涨落在正常态中驱动异常 T 线性电阻率的作用。
• 通过区分向列 QCP 效应与常规费米液体行为，阐明电阻率异常的起源。
• 通过掺杂和温度依赖的电阻率演化，研究正交晶系向列相与四角相之间的交叉行为。
• 评估在 FeSe 基体系中，向列 QCP 附近主导非费米液体行为的是否为轨道涨落或自旋涨落。

提出的方法

• 采用熔盐助熔法生长了高质量的 Fe₁₋ₓCoₓSe（x = 0–0.08）和 FeSe₁₋ᵧSᵧ（y = 0–0.21）单晶。
• 在最高 18 T 的磁场下，使用标准四探针技术测量了温度依赖的电阻率、磁阻（MR）和霍尔电阻率。
• 通过将 MR 和电阻率数据外推至零磁场，提取正常态电阻率，以分离本征电子响应。
• 通过幂律拟合 ρ(T) ∝ T^γ 分析电阻率随温度的变化，其中 γ 用于识别非费米液体（γ ≈ 1）与费米液体（γ ≈ 2）行为。
• 利用 X 射线衍射和能谱分析（EDS）确认晶体质量和精确化学计量。
• 通过识别在 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中 T 线性电阻率在宽温度范围内持续存在的掺杂浓度（y ≈ 0.160），确定向列 QCP 的位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中，靠近向列量子临界点时，是否会出现具有 T 线性依赖关系的非费米液体电阻率？
• RQ2 Fe₁₋ₓCoₓSe 中电阻率的演化如何反映向列相与四角相之间的交叉？
• RQ3 T 线性电阻率的起源是什么——轨道涨落、自旋涨落，还是向列量子临界性？
• RQ4 电阻率行为如何随掺杂浓度变化，这对量子临界点的本质有何启示？
• RQ5 所观察到的电阻率异常是否可与多带费米液体效应区分开来？

主要发现

• 在 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中，当 y = 0.160 时，低于 40 K 的范围内表现出显著的 T 线性电阻率（γ ≈ 1），表明存在强烈的向列量子临界涨落。
• 在更高掺杂浓度（y = 0.212）时，低于 10 K 的范围内电阻率转变为费米液体 T² 依赖关系，表明从非费米液体向费米液体行为的交叉。
• 在 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中，向列量子临界点（QCP）位于 y ≈ 0.160 附近，此时非费米液体电阻率达到最大增强。
• 在 Fe₁₋ₓCoₓSe 中，电阻率在 x = 0.036 到 x = 0.075 之间由 T 线性行为演化为 T² 类似行为，表明从非费米液体向费米液体态的交叉。
• 所观察到的电阻率异常归因于与向列序相关的量子临界涨落，而非传统的多带效应。
• 结果支持一种情景：在向列 QCP 附近，轨道和自旋涨落共同驱动非费米液体电阻率，尤其在 y ≈ 0.160 附近的 FeSe₁₋ᵧSᵧ 中表现显著。