[论文解读] Quenched nematic criticality separating two superconducting domes in an iron-based superconductor under pressure

Pascal Reiss|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 42被引用 5

一句话总结

该研究在压力下揭示了FeSe₀.₈₉S₀.₁₁中的冻结nematic量子临界点，尽管接近量子相变，nematic涨落并未增强超导性。通过静水压力和高场量子振荡实验，作者识别出一个Lifshitz转变，将两个超导区域分隔开：一个具有小费米面和来自nematic相的强关联，另一个具有大费米面和弱关联，由磁序稳定。

ABSTRACT

The nematic electronic state and its associated nematic critical fluctuations have emerged as potential candidates for superconducting pairing in various unconventional superconductors. However, in most materials their coexistence with other magnetically-ordered phases poses significant challenges in establishing their importance. Here, by combining chemical and hydrostatic physical pressure in FeSe$_{0.89}$S$_{0.11}$, we provide a unique access to a clean nematic quantum phase transition in the absence of a long-range magnetic order. We find that in the proximity of the nematic phase transition, there is an unusual non-Fermi liquid behavior in resistivity at high temperatures that evolves into a Fermi liquid behaviour at the lowest temperatures. From quantum oscillations in high magnetic fields, we trace the evolution of the Fermi surface and electronic correlations as a function of applied pressure. We detect experimentally a Lifshitz transition that separates two distinct superconducting regions: one emerging from the nematic electronic phase with a small Fermi surface and strong electronic correlations and the other one with a large Fermi surface and weak correlations that promotes nesting and stabilization of a magnetically-ordered phase at high pressures. The lack of mass divergence suggests that the nematic critical fluctuations are quenched by the strong coupling to the lattice. This establishes that superconductivity is not enhanced at the nematic quantum phase transition in the absence of magnetic order.

研究动机与目标

• 通过消除长程磁序，隔离并研究铁基超导体中一个纯净的nematic量子相变。
• 在无竞争磁相存在的情况下，研究nematic临界涨落在超导配对中的作用。
• 利用高压和高场测量，探测nematic转变过程中费米面和电子关联的演化。
• 确定当磁序被抑制时，超导性是否在nematic量子临界点处得到增强。

提出的方法

• 结合化学掺杂（FeSe中S取代）和静水压力，以抑制磁序并稳定nematic量子临界点。
• 在高压下测量电阻率，以检测温度范围内非费米液体和费米液体行为。
• 利用高磁场量子振荡实验追踪费米面拓扑结构和有效质量演化。
• 通过费米面拓扑结构和有效质量的变化分析Lifshitz转变，表明电子结构发生拓扑变化。
• 比较两个不同超导区域的电子关联和费米面大小，以评估配对机制。
• 使用压力作为调制参数，以访问量子临界点，同时避免磁序，从而实现对nematic临界性的清晰观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无磁序的FeSe基超导体中，nematic临界性是否增强超导性？
• RQ2 在静水压力下，费米面如何在nematic量子相变中演化？
• RQ3 电子关联在nematic相与磁有序相中稳定超导性的角色是什么？
• RQ4 是否存在Lifshitz转变的证据，将两个具有不同费米面大小和关联强度的超导区域分隔开？
• RQ5 为何尽管存在强涨落，超导性在nematic量子临界点处仍未增强？

主要发现

• 在nematic量子临界点附近高温区域观察到非费米液体电阻行为，低温下演化为费米液体行为。
• 高场量子振荡实验揭示了一个Lifshitz转变，将两个具有不同费米面拓扑结构的超导区域分隔开。
• 一个超导穹顶源自nematic相，具有小费米面和强电子关联。
• 第二个超导穹顶具有大费米面和弱关联，有利于费米面嵌套，并在高压下稳定磁有序相。
• 有效质量未出现发散，表明nematic临界涨落被强电子-晶格耦合所抑制。
• 即使在无磁序的情况下，超导性在nematic量子临界点处也未增强，表明nematic涨落本身不足以驱动增强配对。