[論文レビュー] Copper Doping of BaNi$_{2}$As$_{2}$: Giant Phonon Softening and Superconductivity Enhancement

K. Kudo, Masaya Takasuga+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、BaNi₂As₂における銅ドーピングがx ≈ 0.16で三斜晶から正方晶への構造的相転移を誘発し、巨大なフォノン軟化を引き起こし、超伝導転移温度Tcを0.6 Kから2.5–3.2 Kへ向上させることを示している。この向上は、格子軟化によって駆動される強結合超伝導に起因し、リンドーピングにおけるそれと類似した効果を示すが、鉄系類縁体における銅ドーピングとは対照的である。

ABSTRACT

The effects of copper doping on the structural and superconducting phase transitions of Ba(Ni$_{1-x}$Cu$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ were studied by examining the resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat. We found an abrupt increase in the superconducting transition temperature $T_{ m c}$ from 0.6 K in the triclinic phase with less copper ($x$ $\leq$ 0.16) to 2.5-3.2 K in the tetragonal phase with more copper ($x$ $>$ 0.16). The specific-heat data suggested that doping-induced phonon softening was responsible for the enhanced superconductivity in the tetragonal phase. All of these observations exhibited striking similarities to those observed in the phosphorus doping of BaNi$_{2}$(As$_{1-x}$P$_{x}$)$_{2}$ [K. Kudo et al., Phys. Rev. Lett. 109, 097002 (2012).], which markedly contrast the behavior of phosphorus and copper doping of the iron-based superconductor BaFe$_{2}$As$_{2}$.

研究の動機と目的

• BaNi₂As₂における銅ドーピングの構造的および超伝導的相転移への影響を調査すること。
• 銅ドーピングが三斜晶相を抑制し、リンドーピングと同様に超伝導性を向上させるかどうかを特定すること。
• フォノン軟化および格子力学がニッケル系122系における強化された超伝導性をどのように媒介するかを調査すること。
• ニッケル系BaNi₂As₂における銅ドーピングの挙動を、Tcを低下させる鉄系BaFe₂As₂におけるそれと比較すること。

提案手法

• Ba(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂の単結晶は、Ba、Ni、Cu、Asの制御された化学计量比混合物を用いたフラックス法により成長された。
• 電気抵抗率、磁化率、比熱測定は、量子設計のPPMSおよびMPMSを用いて実施され、相転移および超伝導性のプローブが行われた。
• 粉末X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロメトリー(EDS)により、相の純度および正確な銅含有量xが確認された。
• XRDデータから格子定数a、cおよび体積が抽出され、ドーピングに伴う構造的進化の分析が行われた。
• 比熱データにおけるC/T vs. T²プロットの傾きからデバイ温度ΘDが決定され、フォノン軟化の定量的評価がなされた。
• Tcおよび構造的相転移温度(Ts)を用いた電子的相図が構築され、相の安定性と超伝導応答の相関が分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅ドーピングはBaNi₂As₂における三斜晶相転移を抑制し、超伝導性を向上させるか？
• RQ2 Cuドーピングにおける上昇した超伝導転移温度Tcに寄与するフォノン軟化の役割は何か？
• RQ3 銅ドーピングに伴い、フェルミ準位における電子状態密度はどのように変化し、Tcの向上と相関するか？
• RQ4 同じドーピング化学にもかかわらず、銅ドーピングはBaNi₂As₂ではTcを向上させるが、BaFe₂As₂では低下させるのはなぜか？
• RQ5 高xにおけるBa(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂に観察された混在性ギャップの起源は何か？

主な発見

• 純粋なBaNi₂As₂における超伝導転移温度Tcは、x > 0.16の正方晶相で2.5–3.2 Kに上昇しており、顕著な向上が示された。
• 三斜晶から正方晶への構造的転移温度は、x = 0.156で約130 Kから40 Kに低下し、x = 0.292で消失した。これは三斜晶相の完全な抑制を示している。
• 相境界においてデバイ温度ΘDは約40%低下（約250 Kから約150 K）し、銅ドーピングに起因する巨大なフォノン軟化が示された。
• 電子的比熱係数γはドーピングレベルにかかわらずほぼ一定であり、フェルミ準位における電子状態密度の変化は最小限にとどまった。
• x = 0.485からx = 0.939の間で混在性ギャップが観察され、固溶体の形成が不可能となり、高ドーピングで超伝導性が抑制された。
• 銅ドーピングによる構造的応答（aの増加、cの減少、体積の拡大）はリンドーピングとは著しく対照的であり（体積収縮）、化学的圧力が主な駆動要因ではないことを示唆した。