[論文レビュー] First Order Phase Transition and Superconductivity in BaNi2As2 Single Crystals

F. Ronning, Nobuyuki Kurita+6 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、スピン密度波および構造的転移に起因するとされる130 Kで一次転移を示し、0.7 Kでバルク的超伝導を示す高品質なBaNi₂As₂単結晶の合成を報告する。スピン密度波と超伝導の共存が、ニッケル含有のストイキオメトリックな化合物で確認されたことは、鉄系超伝導体における競合秩序の理解において重要な前進である。

ABSTRACT

We report the synthesis and physical properties of single crystals of stoichiometric BaNi2As2 that crystalizes in the ThCr2Si2 structure with lattice parameters a = 4.112(4) Åand c = 11.54(2) Å. Resistivity and heat capacity show a first order phase transition at T_0 = 130 K with a thermal hysteresis of 7 K. The Hall coefficient is weakly temperature dependent from room temperature to 2 K where it has a value of -4x10^{-10} Ω-cm/Oe. Resistivity, ac-susceptibility, and heat capacity find evidence for bulk superconductivity at T_c = 0.7 K. The Sommerfeld coefficient at T_c is 11.6 \pm 0.9 mJ/molK^2. The upper critical field is anisotropic with initial slopes of dH_{c2}^{c}/dT = -0.19 T/K and dH_{c2}^{ab}/dT = -0.40 T/K, as determined by resistivity.

研究の動機と目的

• ストイキオメトリックなBaNi₂As₂の高品質単結晶を、ThCr₂Si₂構造を有する形で合成すること。
• BaNi₂As₂における電子的および磁気的転移、特に130 K付近の相転移の性質を調査すること。
• バルク的超伝導が一次転移と共存するかどうかを特定し、その超伝導パラメータを特徴づけること。
• 他の122型鉄pnict化物および関連するニッケル系化合物と比較して、BaNi₂As₂の電子的挙動を検討すること。
• 特にスピン密度波（SDW）と超伝導という競合秩序が、ストイキオメトリックなBaNi₂As₂の基底状態をどのように決定するかを明らかにすること。

提案手法

• BaNi₂As₂の単結晶は、Ba:Ni:As:Pb = 1:2:2:20のストイキオメトリック比を用いたPbフラックス法により成長した。
• 単結晶X線回折を用いて結晶構造および格子定数を決定した（a = 4.112(4) Å、c = 11.54(2) Å、空間群 I4/mmm）。
• 2 Kから300 Kの温度範囲で電気抵抗率、ac磁化率、および比熱測定を実施し、相転移および超伝導性を調査した。
• 低温比熱は、C = γT + βT³ + αT⁵の式にフィットさせ、ソルデンフェルト係数γおよびデバイ温度θDを抽出した。
• 磁場をab面およびc軸方向に印加した抵抗率データから、50%抵抗率転移基準を用いて上臨界磁場Hc2を抽出した。
• ギンツブルグ＝ランダウのコherence長は、Φ₀ = 2.07×10⁻⁷ Oe·cm²を用いた式 ξ = (Φ₀ / 2πHc2(0))¹ᐟ² により推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストイキオメトリックなBaNi₂As₂は一次転移を示すか？その性質（構造的、磁気的、または両方）は何か？
• RQ2 BaNi₂As₂に超伝導性は存在するか？もしあるならば、臨界温度Tcはどの程度か？
• RQ3 ニッケル含有のNi₂As₂層を有するストイキオメトリックな化合物において、超伝導性が一次転移と共存するか？
• RQ4 上臨界磁場Hc2の異方性は何か？また、それは超伝導コherence長とどのように関係するか？
• RQ5 電子構造の観点から、BaNi₂As₂は鉄系およびニッケル系122化合物と比較して、競合秩序の観点でどのように異なるか？

主な発見

• 冷却時におけるBaNi₂As₂の一次転移温度はT₀ = 130 K、加熱時では137 Kであり、7 Kの熱的ヒステリシスを示し、強い一次転移の特徴を示している。
• ホール係数は負であり、温度依存性が弱く、2 Kで-4×10⁻¹⁰ Ω·cm/Oeの値を示しており、電子的キャリアを示している。
• バルク的超伝導はTc = 0.7 Kで観測され、抵抗率がゼロに落ち込み、ac磁化率が抗磁性応答を示し、比熱が急激に上昇することで確認された。
• Tcにおけるソルデンフェルト係数は11.6 ± 0.9 mJ/mol·K²であり、重フェルミオン的挙動と整合的であり、デバイ温度は206 Kであった。
• 上臨界磁場は異方的であり、初期勾配はdHc2ᶜ/dT = -0.186 T/KおよびdHc2ᵃᵇ/dT = -0.396 T/Kであり、異方性比は2.1であった。
• 零温での上臨界磁場は、H||cの場合は0.09 T、H||abの場合は0.19 Tと推定され、コherence長はそれぞれξᶜ = 610 Åおよびξᵃᵇ = 420 Åとなった。