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T. Shibauchi
Author with expertise in High-Temperature Superconductivity
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Evolution from non-Fermi- to Fermi-liquid transport via isovalent doping in BaFe2(As1−xPx

S. Kasahara et al.May 19, 2010
The normal-state charge transport is studied systematically in high-quality single crystals of ${\text{BaFe}}_{2}{({\text{As}}_{1\ensuremath{-}x}{\text{P}}_{x})}_{2}$ $(0\ensuremath{\le}x\ensuremath{\le}0.71)$. By substituting isovalent P for As, the spin-density-wave (SDW) state is suppressed and the dome-shaped superconducting phase $({T}_{c}\ensuremath{\lesssim}31\text{ }\text{K})$ appears. Near the SDW end point $(x\ensuremath{\approx}0.3)$, we observe striking linear temperature $(T)$ dependence of resistivity in a wide $T$ range, and remarkable low-$T$ enhancement of Hall-coefficient magnitude from the carrier number estimates. We also find that the magnetoresistance apparently violates the Kohler's rule and is well scaled by the Hall angle ${\ensuremath{\Theta}}_{H}$ as $\ensuremath{\Delta}{\ensuremath{\rho}}_{xx}/{\ensuremath{\rho}}_{xx}\ensuremath{\propto}{\text{tan}}^{2}\text{ }{\ensuremath{\Theta}}_{H}$. These non-Fermi-liquid transport anomalies cannot be attributed to the simple multiband effects. These results capture universal features of correlated electron systems in the presence of strong antiferromagnetic fluctuations.
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Electronic nematicity above the structural and superconducting transition in BaFe2(As1−xP x )2

S. Kasahara et al.Jun 1, 2012
Electronic nematicity, a unidirectional self-organized state that breaks the rotational symmetry of the underlying lattice, has been observed in an iron-based superconductor, BaFe2(As1−xP x )2, over a wide range of phosphorus concentration, resulting in a phase diagram similar to the pseudogap phase diagram of the copper oxides. Electron nematicity, a unidirectional self-organized state that breaks the rotational symmetry of the underlying lattice, has been observed in the iron pnictide and copper oxide high-temperature superconductors, but whether it can exist above the structural transition temperature (Ts) without an external driving force was not known. Kasahara et al. report magnetic torque measurements in the iron pnictide superconductor BaFe2(As1–xPx)2 showing that the nematicity develops well above Ts and persists to the nonmagnetic superconducting regime, resulting in a phase diagram similar to the pseudogap phase diagram of the copper oxides. The authors identify two distinct temperatures — one at T*, signifying a true nematic transition, and the other at Ts (less than T*) — which they show is not a true phase transition, but rather a 'meta-nematic' transition. Electronic nematicity, a unidirectional self-organized state that breaks the rotational symmetry of the underlying lattice1,2, has been observed in the iron pnictide3,4,5,6,7 and copper oxide8,9,10,11 high-temperature superconductors. Whether nematicity plays an equally important role in these two systems is highly controversial. In iron pnictides, the nematicity has usually been associated with the tetragonal-to-orthorhombic structural transition at temperature Ts. Although recent experiments3,4,5,6,7 have provided hints of nematicity, they were performed either in the low-temperature orthorhombic phase3,5 or in the tetragonal phase under uniaxial strain4,6,7, both of which break the 90° rotational C4 symmetry. Therefore, the question remains open whether the nematicity can exist above Ts without an external driving force. Here we report magnetic torque measurements of the isovalent-doping system BaFe2(As1−xP x )2, showing that the nematicity develops well above Ts and, moreover, persists to the non-magnetic superconducting regime, resulting in a phase diagram similar to the pseudogap phase diagram of the copper oxides8,12. By combining these results with synchrotron X-ray measurements, we identify two distinct temperatures—one at T*, signifying a true nematic transition, and the other at Ts (
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Field-induced superconducting phase of FeSe in the BCS-BEC cross-over

S. Kasahara et al.Nov 6, 2014
Fermi systems in the crossover regime between weakly coupled Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) and strongly coupled Bose-Einstein-condensate (BEC) limits are among the most fascinating objects to study the behavior of an assembly of strongly interacting particles. The physics of this crossover has been of considerable interest both in the fields of condensed matter and ultracold atoms. One of the most challenging issue in this regime is the effect of large spin imbalance on a Fermi system under magnetic fields. Although several exotic physical properties have been predicted theoretically, the experimental realization of such an unusual superconducting state has not been achieved so far. Here we show that pure single crystals of superconducting FeSe offer the possibility to enter the previously unexplored realm where the three energies, Fermi energy $\varepsilon_{\rm F}$, superconducting gap $\Delta$ and Zeeman energy, become comparable. Through the superfluid response, transport, thermoelectric response, and spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy, we demonstrate that $\varepsilon_{\rm F}$ of FeSe is extremely small, with the ratio $\Delta/\varepsilon_{\rm F}\sim1 (\sim0.3)$ in the electron (hole) band. Moreover, thermal-conductivity measurements give evidence of a distinct phase line below the upper critical field, where the Zeeman energy becomes comparable to $\varepsilon_{\rm F}$ and $\Delta$. The observation of this field-induced phase provides insights into previously poorly understood aspects of the highly spin-polarized Fermi liquid in the BCS-BEC crossover regime.
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Thermal-transport measurements in a quantum spin-liquid state of the frustrated triangular magnet κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3

Minoru Yamashita et al.Nov 23, 2008
Low-temperature thermal-transport measurements of a frustrated organic magnet in which a quantum spin-liquid is believed to exist, suggest that the emergence of this state is accompanied by a spin-gap. This contradicts previous studies conducted at higher temperatures, suggesting that our understanding of this system should be re-evaluated. The notion of quantum spin-liquids (QSLs), antiferromagnets with quantum fluctuation-driven disordered ground states, is now firmly established in one-dimensional (1D) spin systems as well as in their ladder cousins. The spin-1/2 organic insulator κ-(bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene)2Cu2(CN)3 (κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3; ref. 1) with a 2D triangular lattice structure is very likely to be the first experimental realization of this exotic state in D≥2. Of crucial importance is to unveil the nature of the low-lying elementary spin excitations2,3, particularly the presence/absence of a ‘spin gap’, which will provide vital information on the universality class of this putative QSL. Here, we report on our thermal-transport measurements carried out down to 80 mK. We find, rather unexpectedly, unambiguous evidence for the absence of a gapless excitation, which sharply contradicts recent reports of heat capacity measurements4. The low-energy physics of this intriguing system needs be reinterpreted in light of the present results indicating a spin-gapped QSL phase.
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Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid

Y. Kasahara et al.Jul 1, 2018
The quantum Hall effect (QHE) in two-dimensional (2D) electron gases, which is one of the most striking phenomena in condensed matter physics, involves the topologically protected dissipationless charge current flow along the edges of the sample. Integer or fractional electrical conductance are measured in units of $e^2/2\pi\hbar$, which is associated with edge currents of electrons or quasiparticles with fractional charges, respectively. Here we discover a novel type of quantization of the Hall effect in an insulating 2D quantum magnet. In $\alpha$-RuCl$_3$ with dominant Kitaev interaction on 2D honeycomb lattice, the application of a parallel magnetic field destroys the long-range magnetic order, leading to a field-induced quantum spin liquid (QSL) ground state with massive entanglement of local spins. In the low-temperature regime of the QSL state, we report that the 2D thermal Hall conductance $\kappa_{xy}^{2D}$ reaches a quantum plateau as a function of applied magnetic field. $\kappa_{xy}^{2D}/T$ attains a quantization value of $(\pi/12)(k_B^2/\hbar)$, which is exactly half of $\kappa_{xy}^{2D}/T$ in the integer QHE. This half-integer thermal Hall conductance observed in a bulk material is a direct signature of topologically protected chiral edge currents of charge neutral Majorana fermions, particles that are their own antiparticles, which possess half degrees of freedom of conventional fermions. These signatures demonstrate the fractionalization of spins into itinerant Majorana fermions and $Z_2$ fluxes predicted in a Kitaev QSL. Above a critical magnetic field, the quantization disappears and $\kappa_{xy}^{2D}/T$ goes to zero rapidly, indicating a topological quantum phase transition between the states with and without chiral Majorana edge modes. Emergent Majorana fermions in a quantum magnet are expected to have a major impact on strongly correlated topological quantum matter.
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Dome-shaped magnetic order competing with high-temperature superconductivity at high pressures in FeSe

Jianping Sun et al.Jul 19, 2016
Abstract The coexistence and competition between superconductivity and electronic orders, such as spin or charge density waves, have been a central issue in high transition-temperature ( T c ) superconductors. Unlike other iron-based superconductors, FeSe exhibits nematic ordering without magnetism whose relationship with its superconductivity remains unclear. Moreover, a pressure-induced fourfold increase of T c has been reported, which poses a profound mystery. Here we report high-pressure magnetotransport measurements in FeSe up to ∼15 GPa, which uncover the dome shape of magnetic phase superseding the nematic order. Above ∼6 GPa the sudden enhancement of superconductivity ( T c ≤38.3 K) accompanies a suppression of magnetic order, demonstrating their competing nature with very similar energy scales. Above the magnetic dome, we find anomalous transport properties suggesting a possible pseudogap formation, whereas linear-in-temperature resistivity is observed in the normal states of the high- T c phase above 6 GPa. The obtained phase diagram highlights unique features of FeSe among iron-based superconductors, but bears some resemblance to that of high- T c cuprates.
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