[論文レビュー] Decoupling of the superconducting and magnetic (structural) phase transitions in electron-doped BaFe2As2

P. C. Canfield, S. L. Bud’ko+3 more|ArXiv.org|Apr 20, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、電子ドーピングされたBaFe2As2において、構造的・反強磁性転移の抑制は超伝導性を安定化させるために必要であるが、十分ではないことを示している。ドーピング元素（Co、Ni、Cu）を調整することで、上部転移の抑制（ドーピング濃度／c軸に支配される）と超伝導ドーム（電子数／a/c比に支配される）を分離し、磁性秩序が完全に抑制されても、超伝導性は電子ドーピングの狭い範囲でのみ出現することを明らかにした。

ABSTRACT

Study and comparison of over 30 examples of electron doped BaFe2As2 for transition metal (TM) = Co, Ni, Cu, and (Co/Cu mixtures) have lead to an understanding that the suppression of the structural/antiferromagnetic phase transition to low enough temperature in these compounds is a necessary condition for superconductivity, but not a sufficient one. Whereas the structural/antiferromagnetic transitions are suppressed by the number of TM dopant ions (or changes in the c-axis) the superconducting dome exists over a limited range of values of the number of electrons added by doping (or values of the {a/c} ratio). By choosing which combination of dopants are used we can change the relative positions of the upper phase lines and the superconducting dome, even to the extreme limit of suppressing the upper structural and magnetic phase transitions without the stabilization of low temperature superconducting dome.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングされたBaFe2As2における構造的／反強磁性転移と超伝導性の関係を調査すること。
• 上部転移の抑制が超伝導性を安定化させるのに十分かどうかを特定すること。
• 異なる遷移金属ドーピング元素（Co、Ni、Cu）が相境界および超伝導ドームに与える影響を調査すること。
• 超伝導性の発現を支配する主要な物理的パラメータ（電子数か格子歪み）を特定すること。
• 制御されたドーピング組成を用いて、上部転移の抑制と超伝導ドームの分離を実証すること。

提案手法

• 溶融法を用いて、TM = Co、Ni、Cu、およびCo/Cu混合物を含むBa(Fe1−xTMx)2As2の単結晶を合成した。
• 電子プローブマイクロアナライザーを用いたWDS分析により、実際のドーピングレベルを測定し、xWDSを決定した。
• 粉末X線回折データを収集し、UNITCELLパッケージを用いて単位格子定数を抽出した。
• Quantum Design PPMSシステムを用いた4端子配置による電気抵抗測定を実施した。
• c軸に沿った剥離に起因する測定アーティファクトを補正するため、抵抗率データを正規化した。
• ドーピング濃度（x）、c軸の変化、および電子数（e）と、相転移温度を関連付け、a/c比を電子ドーピングの代理指標として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子ドーピングされたBaFe2As2において、構造的／反強磁性転移の抑制は、超伝導性を安定化させるのに十分か？
• RQ2 上部転移の抑制を支配する物理的パラメータは、ドーピング濃度か電子数か？
• RQ3 超伝導ドームは、添加された電子数と格子歪み（c軸またはa/c比）のどちらに依存するか？
• RQ4 ドーピング元素の選択によって、上部転移と超伝導ドームの相対的位置を独立に調整可能か？
• RQ5 磁性秩序が完全に抑制されても、過剰な電子ドーピングのため超伝導ドームが消失するのはなぜか？

主な発見

• 電子ドーピングされたBaFe2As2において、構造的／反強磁性転移の抑制は超伝導性を安定化させるために必要であるが、十分ではない。
• 上部転移温度は、ドーピング原子の数（x）またはc軸の変化に依存するが、電子数に依存しない。
• 超伝導ドームは、電子ドーピングの狭い範囲で定義され、最大Tcは最適な電子数（e ≈ 1.5–2.0／式量単位）で観測される。
• Ba(Fe1−xCux)2As2では、過剰な電子ドーピング（例：x > 0.2）により上部転移が抑制されるが、超伝導の窓は完全に逸脱する。
• a/c比は電子数（e）と強く相関しており、3d遷移金属ドーピング系において電子ドーピングの信頼できる実験的代理指標である。
• Co/Cu混合物を用いることで、上部転移の抑制と超伝導ドームの相対的位置を分離可能であり、超伝導性が発現しない状態で上部転移が抑制された系を実現できる。