[论文解读] Tripling the critical temperature of KFe$_{2}$As$_{2}$ by carrier switch

Jianjun Ying, Lingyun Tang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 21被引用 9

一句话总结

本研究证明，在KFe₂As₂上施加静水压可使其载流子特性从空穴主导转变为电子主导，导致在坍塌四面体相中超导转变温度（Tc）从3.5 K提高到10.5 K，实现三倍增长。该增强效应归因于电子掺杂区域的强电子关联效应，揭示了通过载流子类型工程实现高Tc超导的新途径。

ABSTRACT

Superconductivity of high critical temperature ($T_{c}$) superconductors is usually realized through chemical dopant or application of pressure in a similar way to induce charge carriers of either electrons or holes into their parent compounds. For chemical doping, superconductivity behaves asymmetrically with the maximum $T_{c}$ often higher for optimal hole-doping than that of optimal electron-doping on the same parent compound. However, whether electron carriers could be in favour of higher $T_{c}$ than holes in such high-$T_{c}$ superconductors is unknown but attractive. Here we show that the application of pressure can drive KFe$_{2}$As$_{2}$ from hole- to electron-superconductivity after passing the previously reported $V$-shape or oscillation regime. The maximum $T_{c}$ in the electron-dominated region is tripled to the initial value of 3.5 K or the average in the low-pressure hole-dominated region. The structural transition takes place from the tetragonal to collapsed tetragonal phase when the carrier characteristic is changed upon compression. Our results unambiguously offer a new route to further improve superconductivity with huge $T_{c}$ enhancement for a compound through carrier switch. The strong electronic correlations in KFe$_{2}$As$_{2}$ are suggested to account for the unexpected enhancement of superconductivity in the collapsed tetragonal phase.

研究动机与目标

• 研究在压力下，电子掺杂的KFe₂As₂是否能实现比空穴掺杂的KFe₂As₂更高的Tc。
• 探讨载流子类型（电子与空穴）在铁基超导体中决定Tc的作用。
• 理解在高压下KFe₂As₂发生载流子转换时伴随的结构与电子转变。
• 确定在坍塌四面体相中强电子关联是否对增强超导性有贡献。

提出的方法

• 使用立方顶砧压机对KFe₂As₂施加静水压，以调节载流子浓度。
• 利用电阻率和磁化率测量识别超导转变及Tc值。
• 采用高压X射线衍射追踪从四面体相到坍塌四面体相的结构相变。
• 通过压力诱导相变过程中Tc和电阻率行为的演变推断载流子类型。
• 对比空穴掺杂与电子掺杂区域的Tc值，评估超导性能的不对称性。
• 通过电子结构分析，将观测到的Tc增强与坍塌相中的强电子关联联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压力下，电子掺杂的KFe₂As₂是否能实现比空穴掺杂的KFe₂As₂更高的Tc？
• RQ2 在压力下，KFe₂As₂从四面体相到坍塌四面体相的转变过程中，发生了哪些结构与电子变化？
• RQ3 在压力下，载流子从空穴型向电子型的转变是否导致Tc的显著增强？
• RQ4 强电子关联在坍塌四面体相中增强超导性的过程中起什么作用？
• RQ5 电子掺杂区域中Tc的增强是否源于本征电子效应，而非传统掺杂机制？

主要发现

• 在高压下，电子掺杂区域的KFe₂As₂超导转变温度（Tc）从3.5 K提高到10.5 K，实现三倍增长。
• 电子掺杂区域的最大Tc达到10.5 K，显著高于初始的3.5 K，也远超低压空穴掺杂区域的平均Tc。
• 载流子从空穴主导转变为电子主导的同时，伴随着从四面体相到坍塌四面体相的结构相变。
• 通过高压下电阻率和Tc行为的演变，证实了载流子从空穴型向电子主导特性的转变。
• 坍塌四面体相中Tc的增强归因于强电子关联效应，而非传统掺杂效应。
• 结果表明，通过载流子类型工程可在铁基超导体中实现Tc的显著提升。