[论文解读] The pseudogap behavior in the stoichiometric FeSe superconductor (Tc~9.4 K)

Yoo Jang Song, Jong Beom Hong+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用 27

一句话总结

本研究通过电阻率曲率映射、塞曼系数和磁阻测量，在化学计量比 FeSe（Tc ≈ 9.4 K）中报告了类似赝能隙的行为，识别出在 T* ≈ 110 K 处存在一个特征能量尺度。该工作表明，FeSe 在 T* 附近表现出多种电子异常，包括在约 30 K 附近电阻率和塞曼系数的二阶导数符号发生改变，暗示了在这一简单铁硒化物体系中，超导性与复杂多体效应存在关联。

ABSTRACT

This paper reports the synthesis and superconducting behaviors of the tetragonal iron-chalcogenide superconductor FeSe. The electrical resistivity and magnetic moment measurements confirmed its superconductivity with a $T_c^{zero}$ and $T_c^{mag}$ at 9.4 K under ambient pressure. EPMA indicated the sample to have a stoichiometric Fe:Se ratio of 1:1 ($\pm$0.02). The Seebeck coefficient which was 12.3 $μ$V/K at room temperature, changed to a negative value near 200 K, indicating it to be a two carriers material. Above $T_c$, the $ρ(T)$ curve revealed an 'S' shape. Hence $dρ(T)/dT$, and $d^2ρ(T)/dT^2$ showed pseudogap-like behavior at $T^*$=110 K according to the resistivity curvature mapping (RCM) method for high $T_c$ cuprates. Moreover, the magnetoresistance $ρ_H(T)/ρ_{H=0}$ under a magnetic field and the Seebeck coefficient $S(T)$ revealed revealed pseudogap-like behavior near $T^*$. Interestingly, at the same temperature, 30 K, the sign of $S(T)$ and all signs of $d^2ρ(T)/dT^2$ changed from negative to positive above $T_c$.

研究动机与目标

• 研究化学计量比 FeSe（Fe:Se = 1:1）在 Tc ≈ 9.4 K 时的电子行为，重点关注 Tc 以上非超导异常。
• 确定此前在高温超导铜氧化物中观察到的类似赝能隙行为是否也出现在简单的铁硒化物 FeSe 中。
• 探讨在约 30 K 和 110 K 附近塞曼系数和电阻率曲率出现异常符号变化的起源。
• 关联输运、热电和磁响应，以识别在洁净、化学计量比 FeSe 系统中的电子不稳定性。
• 测量并分析多晶 FeSe 的临界电流密度（Jc），以评估其在实际应用中的潜力。

提出的方法

• 采用 Se 自通量法合成化学计量比 FeSe，初始 Fe:Se 比为 1:1.15，经电子探针微区分析（EPMA）确认为 Fe:Se = 1:1 ± 0.02。
• 采用四探针法在 4 K 至 200 K 范围内测量电阻率，包括零场和外加磁场（1–9 T）条件，并利用电阻率曲率映射（RCM）分析以检测类似赝能隙的特征。
• 从 4 K 到 300 K 测量塞曼系数（S），以探测载流子类型和密度的变化，特别是 200 K 和 30 K 附近的符号反转。
• 利用 MPMS 测得磁化率数据，通过零场冷却法确定 Tc（Tc^mag = 9.4 K），并基于 M-H 回线利用 Bean 模型提取临界电流密度（Jc）。
• 应用原本为高温超导铜氧化物开发的 RCM 方法，识别出 T* ≈ 110 K 为特征温度，此时 d²ρ/dT² 出现符号变化，表明存在类似赝能隙的行为。
• 分析磁场依赖的电阻率 ρH(T)/ρH=0，以检测在 T* 附近散射被抑制的类似赝能隙行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe 是否在 Tc 以上表现出类似赝能隙的行为，如电阻率曲率映射所示？
• RQ2 在化学计量比 FeSe 中，塞曼系数在约 200 K 和 30 K 附近出现符号变化的起源是什么？
• RQ3 通过 RCM 确定的温度 T* ≈ 110 K 是否在电阻率、磁阻和塞曼系数等多种探测手段中保持一致？
• RQ4 多晶 FeSe 的临界电流密度（Jc）与其他铁基超导体相比如何？其结果揭示了哪些关于微观结构和钉扎机制的信息？

主要发现

• 成功合成化学计量比 FeSe（Fe:Se = 1:1 ± 0.02），其零电阻转变温度 Tc = 9.4 K，磁性转变温度 Tc^mag = 9.4 K。
• Tc 以上的电阻率曲线呈现 'S' 形，RCM 分析揭示在 T* ≈ 110 K 处存在类似赝能隙的特征，表现为 d²ρ/dT² 的符号变化。
• 塞曼系数（S）在室温时为正值（12.3 μV/K），在约 200 K 处发生符号反转，并在约 115 K 处出现负向极大值，表明存在双载流子导电行为。
• d²ρ/dT² 和 S(T) 均在约 30 K 附近由负变正，这是 Tc 以上此前未报道的异常现象。
• 磁阻 ρH(T)/ρH=0 和塞曼系数 S(T) 均在 T* ≈ 110 K 附近表现出类似赝能隙的抑制行为，证实了多探针之间的一致性。
• 临界电流密度（Jc）在零场下测得为 10²–10⁴ A/cm²，表明性能中等，可能归因于晶界散射和载流子浓度较低。