[論文レビュー] Abnormal T-linear susceptibility and Phase diagram of BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals

X. F. Wang, Tzong‐Ming Wu+5 more|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、輸送、磁化率、比熱測定を用いてBaFe₂₋ₓCoₓAs₂単結晶における電子的相転移を調査した。コバルトドーピングに伴い、非フェルミ液体からフェルミ液体への遷移が観察され、700 KまでTに比例する異常な磁化率が観測され、強力な反強磁性揺らぎを示唆する。また、x ≈ 0.17–0.20のドーピング範囲でスピン密度波（SDW）秩序と超伝導性が共存し、T_cがドーム型に変化する一方で、x ≤ 0.40の範囲で詳細な電子的相図が確立された。

ABSTRACT

We study systematically transport, susceptibility and heat capacity for BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals. In the underdoped region, spin density wave (SDW) transition is observed in both resistivity and susceptibility. The magnetic susceptibility shows unusual T-linear dependence above SDW transition up to 700 K. With Co doping, SDW ordering is gradually suppressed and superconductivity emerges with a dome-like shape. Electrical transport, specific heat and magnetic susceptibility indicate that SDW and superconductivity coexist in the sample BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ around x = 0.17, being similar with (Ba,K)Fe$_2$As$_2$. When x$>$0.34, the superconductivity completely disappears. A crossover from non-Fermi-liquid state to Fermi-liquid state is observed with increasing Co doping. A detailed electronic phase diagram about evolution from SDW to superconducting state is given.

研究の動機と目的

• コバルトドーピングされたBaFe₂As₂単結晶における電子的相の進化を理解すること。
• アンダードープ領域におけるスピン密度波（SDW）秩序と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• SDW秩序と超伝導性が共存する条件を特定すること。
• コバルトドーピングの関数として、SDW状態から超伝導状態への電子的相図をマッピングすること。
• 輸送および磁化率測定を用いて、非フェルミ液体からフェルミ液体への挙動の遷移を検討すること。

提案手法

• BaFe₂₋ₓCoₓAs₂の単結晶は、FeAsをフラックスとして用いた自己フラックス法により成長させた。
• X線回折により、高品質なc軸配向単結晶が確認され、コバルトドーピングに伴いc格子定数が線形に減少した。
• 電気的輸送特性はac四端子法を用いて測定した。ホール効果はac四端子技術により測定した。
• 磁化率はSQUID磁化計測定法により、面内磁気抵抗率は物理的性質測定システム（PPMS）を用いて測定した。
• 相転移の検出のため比熱を測定し、磁場下のデータを用いて超伝導寄与を分離した。
• 抵抗率の異常（Tₛ）、超伝導転移温度（T_c）、磁化率データに基づいて相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コバルトドーピングは、BaFe₂₋ₓCoₓAs₂におけるスピン密度波（SDW）秩序から超伝導性への転移にどのように影響するか？
• RQ2 SDW転移以上で観測された700 KまでTに比例する磁化率の性質は、どのような意味を持つのか？特に、強力な反強磁性揺らぎを示唆するか？
• RQ3 アンダードープ領域において、超伝導性とSDW秩序が共存するか？その場合、ドーピング範囲はどの程度か？
• RQ4 コバルトドーピングの増加に伴い、電子的状態が非フェルミ液体からフェルミ液体の挙動へどのように変化するか？
• RQ5 ドーピング範囲0 ≤ x ≤ 0.40におけるBaFe₂₋ₓCoₓAs₂の詳細な電子的相図はどのようなものか？

主な発見

• 磁化率は、SDW転移以上で700 KまでTに比例する異常な依存性を示し、強力な反強磁性揺らぎを示唆する。
• コバルトドーピングによりSDW秩序が抑制され、ドーム型のT_cが観測され、x = 0.20で最大25 Kに達した。
• 抵抗率、比熱、磁気抵抗率測定により、x ≈ 0.17–0.20の範囲でSDWと超伝導性の共存が確認された。
• x = 0.17の比熱データは、Tₛ ≈ 135 K（SDW）で明確なジャンプと、T_c ≈ 20 K（超伝導性）で顕著なピークを示し、14 Tの磁場下でも確認された。
• 非フェルミ液体からフェルミ液体への遷移が観察された：アンダードープ試料では抵抗率のべき乗則R = A + BTⁿにおいてn ≈ 1であったが、過ドープ領域ではn ≈ 2に変化した。
• x > 0.34では超伝導性が完全に消失し、磁化率はTに比例するものからキュリー・ウッズ的挙動に変化し、強力な磁気揺らぎが失われたことが示された。