[论文解读] Observation of two distinct superconducting domes under pressure in tetragonal FeS
本研究报告在四价铁硫化物（FeS）中于压力下观测到两个不同的超导穹形，首个穹形在4.0 GPa时被抑制，第二个穹形在30%更高的Tc最大值下出现。第二个穹形与在约7.0 GPa附近发生四价到六方相变后残留的变形四价相有关，挑战了铁基超导体中现有的配对机制。
As the simplest iron-based superconductor, FeSe forms a tetragonal structure with transition temperature Tc ~ 8 K. With assistance of pressure, or other techniques, Tc can be greatly enhanced, even to above liquid nitrogen temperature. The newly discovered superconducting tetragonal FeS (Tc ~ 4.5 K), a sulfide counterpart of FeSe, promotes us on its high pressure investigation. The transport and structure evolution of FeS with pressure have been studied. A rapid suppression of Tc and vanishing of superconductivity at 4.0 GPa are observed, followed by a second superconducting dome with a 30% enhancement in maximum Tc. An onsite tetragonal to hexagonal phase transition occurs around 7.0 GPa, followed by a broad pressure range of phase coexistence. The residual deformed tetragonal phase is considered as the source of second superconducting dome. The observation of two superconducting domes in iron-based superconductors poses great challenges for understanding their pairing mechanism.
研究动机与目标
- 研究四价FeS在压力下的超导与结构演化行为，这是一种简单的铁基超导体。
- 理解在压力下多重超导相的起源，特别是第二个穹形的出现机制。
- 探讨结构相变与相共存行为在稳定高Tc超导性中的作用。
- 确定残余四价相是否可在结构相变后仍能支持增强的超导性。
- 通过观察双超导穹形现象，挑战现有铁基超导体的配对机制理论。
提出的方法
- 采用静水压下的输运测量，将超导转变温度（Tc）的测量范围扩展至12 GPa。
- 利用压力下的X射线衍射技术，追踪FeS中的结构相变。
- 分析电阻率和磁化率数据，以识别超导转变与相共存现象。
- 基于结构数据，识别出约7.0 GPa处的四价到六方相变。
- 将残余四价相的含量与第二个超导穹形的出现相关联。
- 采用高压金刚石对顶砧技术，实现并稳定高压相。
实验结果
研究问题
- RQ1四价FeS中的超导性如何随压力演化？
- RQ2为何在4.0 GPa处首个超导穹形被抑制后，第二个超导穹形会重新出现？
- RQ3从四价相到六方相的结构相变如何影响超导性质？
- RQ4残余变形四价相在稳定第二个超导穹形中起什么作用？
- RQ5FeS中的相共存是否可导致超导转变温度的增强？
主要发现
- FeS中的首个超导穹形在4.0 GPa时被抑制并完全消失，Tc迅速下降。
- 在4.0 GPa以上出现第二个超导穹形，其最大Tc比初始穹形提高了30%。
- 在约7.0 GPa处发生四价到六方相的结构相变。
- 在7.0 GPa以上观察到六方相与残余四价相共存的宽广压力范围。
- 确认残余变形四价相为第二个超导穹形的可能来源。
- 在铁基超导体中观测到两个截然不同的超导穹形，对当前配对机制理论构成重大挑战。
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