[论文解读] Two new parent compounds for FeSe-based superconducting phases

Shifeng Jin, Xiaozhi Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 25被引用 3

一句话总结

本研究报道了在乙二胺插层FeSe中发现两种新的非超导母相：一种四方相（Na共掺杂后Tc = 38 K），一种正交相（Na共掺杂后Tc = 46 K），二者均由中性间隔层稳定。在2 K下未观察到长程磁序，且超导与非超导态之间可逆转换，表明未掺杂铁硒化物为量子顺磁基态，其配对机制与铁砷化物不同。

ABSTRACT

It is well established that the occurrence of superconductivity in iron pnictides is closely related to the tetragonal to orthorhombic structural and antiferromagnetic (AFM) phase transitions. It, however, has not been clear whether the same scenario is appropriate for iron chalcogenide counterparts due to the absence of parent compounds for the latter family of superconductors. Here, we report the synthesis and structure determination of two novel phases in ethylenediamine intercalated FeSe, one is tetragonal and the other orthorhombic in room temperature, which can be stabilized with neutral spacer layers. Both phases can be regarded as the parent compounds for superconductivity as they are non-superconducting (non-SC) in pristine form and superconducting (SC) with Tc up to 38K and 46K, respectively after Na doping, and the switch between SC and no-SC is reversible. Moreover, the two non-SC parent compounds show no evidence of long-range magnetic ordering down to 2K, only with dynamic spin fluctuations at low temperatures, suggesting that no competition between SC and AFM ordering. Our results reveal that undoped iron selenides are quantum paramagnetic in ground state, implying that they are distinct from their pnictide counterparts in pairing mechanism.

研究动机与目标

• 确定FeSe基超导体的稳定母相化合物，此前此类化合物尚不明确。
• 研究乙二胺插层FeSe相的结构与电子性质。
• 确定在铁硫属化物中，长程反铁磁序是否如在铁砷化物中那样与超导性竞争。
• 阐明磁序与自旋涨落对FeSe基体系超导机制的作用。
• 建立未掺杂相中超导与非超导态之间的可逆转变。

提出的方法

• 在高温高压条件下合成乙二胺插层FeSe相。
• 利用X射线与中子衍射进行结构测定，以在室温下识别四方相与正交相。
• 通过电阻率与磁化率测量探测超导转变温度（Tc）。
• 在低温下（低至2 K）进行磁性表征，以检测长程磁序或自旋涨落。
• 对非超导母相进行系统性Na共掺杂，诱导超导性并评估可逆性。
• 通过磁化率分析自旋动力学，并与铁砷化物体系进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否合成并结构表征FeSe基超导体的稳定母相化合物？
• RQ2 非超导母相在低温下是否表现出长程反铁磁序？
• RQ3 在FeSe基体系中，超导转变是否可通过掺杂与去掺杂实现可逆？
• RQ4 FeSe基体系的磁性性质与铁砷化物相比有何异同？
• RQ5 未掺杂FeSe基化合物基态中的自旋涨落性质为何？

主要发现

• 合成了两种新母相：一种为四方相，一种为正交相，二者在原始状态下均不具超导性。
• Na共掺杂在四方相与正交相中分别诱导出Tc为38 K与46 K的超导性。
• 在任一母相化合物中，均未在2 K以下观察到长程磁序，表明其为量子顺磁基态。
• 在低温下检测到动态自旋涨落，表明存在短程自旋关联但无长程有序。
• 通过Na共掺杂与去掺杂，超导与非超导态之间的转变具有可逆性。
• 缺乏竞争性反铁磁序表明，FeSe中的配对机制与铁砷化物截然不同。