[論文レビュー] Determination of the phase diagram of the electron doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$

Jiun‐Haw Chu, James G. Analytis+2 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Nov 15, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、単結晶を用いた抵抗率、比熱、磁化率、ホール係数の測定を通じて、電子ドーピングされたBa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の相図をマッピングした。その結果、BaFe₂As₂における単一の磁気的／構造的転移がコバルトドーピングによって二つの異なる転移に分裂し、xの増加に伴い両方とも抑制されることを明らかにした。最適な超伝導転移温度（Tc ≈ 25 K）はx ≈ 0.06で観測され、この点でこれらの転移が完全に抑制されることが確認され、高Tc超伝導の背後には量子臨界点が関与している可能性が示唆された。

ABSTRACT

Systematic measurements of the resistivity, heat capacity, susceptibility and Hall coefficient are presented for single crystal samples of the electron-doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$. These data delineate an $x-T$ phase diagram in which the single magnetic/structural phase transition that is observed for undoped BaFe$_2$As$_2$ at 134 K apparently splits into two distinct phase transitions, both of which are rapidly suppressed with increasing Co concentration. Superconductivity emerges for Co concentrations above $x \sim 0.025$, and appears to coexist with the broken symmetry state for an appreciable range of doping, up to $x \sim 0.06$. The optimal superconducting transition temperature appears to coincide with the Co concentration at which the magnetic/structural phase transitions are totally suppressed, at least within the resolution provided by the finite step size between crystals prepared with different doping levels. Superconductivity is observed for a further range of Co concentrations, before being completely suppressed for $x \sim 0.018$ and above. The form of this $x-T$ phase diagram is suggestive of an association between superconductivity and a quantum critical point arising from suppression of the magnetic and/or structural phase transitions.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングされたBa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の完全なx-T相図を特定すること。
• 電子ドーピングされた鉄ヒ hydride化合物における構造的／磁気的転移と超伝導の相乗的相互作用を調査すること。
• 磁気的秩序および構造的秩序の抑制に関連する量子臨界点の周囲に超伝導が出現するかどうかを評価すること。
• 磁気的秩序の抑制と超伝導の誘起において、CoドーピングとKドーピングの有効性を比較すること。
• ドーピング不足の試料における超伝導と対称性が破れた状態の共存が、相分離に起因するものかどうかを除外すること。

提案手法

• Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の単結晶を、制御されたCo濃度で自己フラックス法により成長させた。
• Co濃度は電子線マイクロプローブ分析（EMPA）を用いて正確に測定した。サンプル間での標準偏差は±0.15%であった。
• 抵抗率、比熱、磁化率、ホール係数を、温度およびCo濃度（x）の関数として測定した。
• 磁気測定は、ゼロ場冷却および磁場冷却のプロTOCOLを用い、スクリーニング電流の寄与を評価するために粉砕処理を追加で実施した。
• 相転移は、抵抗率、比熱、磁化率データにおける急激な異常から同定した。
• すべての測定量の温度およびCo濃度依存性を関連付けることで、相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoドーピングはBaFe₂As₂における構造的および磁気的相転移にどのように影響するか？
• RQ2 どのCo濃度（x）で超伝導が出現し、その最大Tcはどこに位置するか？
• RQ3 超伝導と対称性が破れた状態の共存は、相分離に起因するものか、それとも内在的な電子相の共存によるものか？
• RQ4 磁気的および構造的転移の抑制は、最適な超伝導転移温度と相関しているか？
• RQ5 磁気秩序と超伝導の境界に量子臨界点の証拠が見られるか？

主な発見

• BaFe₂As₂における単一の磁気的／構造的転移（134 K）が、Co濃度の増加に伴い二つの異なる転移に分裂し、両方とも急速に抑制された。
• 両転移の臨界温度はxの増加に伴い単調に低下し、x ≈ 0.06で完全に抑制された。
• x > 0.025で超伝導が出現し、x ≈ 0.06で最大Tc ≈ 25 Kに達した。この点は磁気的および構造的転移の完全な抑制と一致した。
• 超伝導ドームはx ≈ 0.025からx ≈ 0.18に延びており、最適ドーピング範囲が狭いことが示された。
• ドーピング不足の超伝導状態（x ≈ 0.025–0.06）では顕著なスクリーニング電流が観測されたが、粉砕処理によりその強度が著しく低下した。これは、脆い超伝導秩序または内在的な不均一性を示唆した。
• 相図の結果は、この系における超伝導が、磁気的および／または構造的秩序の抑制に関連する量子臨界点によって駆動されている可能性を強く示唆した。