[论文解读] Vacancy tuned magnetic high-Tc superconductor KxFe2-x/2Se2

Wei Bao, Guangfu Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2011

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究揭示，在K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$中，具有块状反铁磁序的$√{5} \times √{5}$铁空位有序态是相图中的基态，且铁和空位占据随相图位置而变化。当该有序态充分发展时，稳定的金属相中出现超导性，而具有一个铁位点空位的正交相仅在中间温度下短暂存在。

ABSTRACT

Combining in-depth neutron diffraction and systematic bulk studies, we discover that the $\sqrt{5} imes\sqrt{5}$ Fe vacancy order with its associated block antiferromagnetic order is the ground state, with varying occupancy ratio of the iron 16i and vacancy 4d sites, across the phase-diagram of K$_{\bf x}$Fe$_{\bf 2-y}$Se$_2$. The orthorhombic order with one of the four Fe sites vacant appears only at intermediate temperature as a competing phase. The material experiences an insulator to metal crossover when the $\sqrt{5} imes\sqrt{5}$ order has highly developed. Superconductivity occurs in such a metallic phase.

研究动机与目标

• 确定K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$在整个相图中的真实基态。
• 阐明竞争性结构与磁性相的性质，特别是具有部分铁位点空位的正交相。
• 厘清铁空位有序、电子相变与超导性之间的关系。
• 确定该高温超导体系中超导性出现的条件。

提出的方法

• 通过深度中子衍射探测原子尺度的铁空位有序与磁性有序。
• 系统性地测量宏观物性，以追踪电子与结构相变。
• 通过调节K和Fe含量（x和y）绘制相图，识别稳定区域。
• 分析$√{5} \times √{5}$超晶格的演化及其与电子行为的相关性。
• 利用衍射数据区分$√{5} \times √{5}$空位有序与竞争的正交相。
• 将磁性与结构有序与输运测量相关联，以识别承载超导性的金属相。

实验结果

研究问题

• RQ1 K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$在整个相图中的真实基态是什么？
• RQ2 16i位点的铁占据与4d位点的空位占据如何变化，其分布由什么决定？
• RQ3 具有一个铁位点空位的正交相在相演化过程中起什么作用？
• RQ4 铁空位有序进行到何种程度时，系统从绝缘体转变为金属行为？
• RQ5 超导性与$√{5} \times √{5}$铁空位有序及块状反铁磁序的发展有何关联？

主要发现

• 在K$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_2$的整个相图中，具有块状反铁磁序的$√{5} \times √{5}$铁空位有序态是基态。
• 16i位点的铁占据与4d位点的空位占据随成分系统性变化。
• 具有一个铁位点空位的正交相仅在中间温度下作为亚稳态竞争相存在。
• 当$√{5} \times √{5}$铁空位有序态高度发展时，发生绝缘体到金属的转变。
• 超导性仅在$√{5} \times √{5}$有序态完全发展后的金属相中实现。