[論文レビュー] Physical and magnetic properties of Ba(Fe_(1-x)Mn_x)_2As_2 single crystals

A. Thaler, Hodovanets, H.+7 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Sep 9, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、マンガンドープ BaFe2As2 単結晶を調査し、マンガン置換が構造的／磁気的転移温度 (T_s/m) をコバルトやクロムドープと比較して遅く抑制することを明らかにした。x = 0.148 まで超伝導性は観察されなかった。x ≈ 0.1–0.2 以上で相分離が発生し、x ≈ 0.1 付近でラフシッツ転移が示唆されており、他の遷移金属ドープ系とは異なる電子構造の変化が示されている。

ABSTRACT

Single crystals of Ba(Fe_(1-x)Mn_x)_2As_2, 00.1-0.2. Our measurements show that whereas the structural/magnetic phase transition found in pure BaFe_2As_2 at 134 K is initially suppressed by Mn substitution, superconductivity is not observed at any substitution level. Although the effect of hydrostatic pressure up to 20 kbar in the parent BaFe_2As_2 compound is to suppress the structural/magnetic transition at the approximate rate of 0.9 K/kbar, the effects of pressure and Mn substitution in the x=0.102 compound are not cumulative. Phase diagrams of transition temperature versus substitution concentration, x, based on electrical transport, magnetization and thermopower measurements have been constructed and compared to those of the Ba(Fe_(1-x)TM_x)_2As_2 (TM=Co and Cr) series.

研究の動機と目的

• BaFe2As2 単結晶におけるマンガン置換の物理的および磁気的性質への影響を理解すること。
• コバルトおよびニッケルドープ系と同様に、マンガンドープ BaFe2As2 に超伝導性が出現するかどうかを特定すること。
• マンガン濃度 (x) の増加に伴う構造的／磁気的転移 (T_s/m) の抑制を調査すること。
• コバルト、ニッケル、クロムドープ系と比較して、マンガンドープの相転移抑制および電子構造の進化の挙動を検討すること。
• 熱電力および抵抗率の異常から示唆される、例えばラフシッツ転移のような電子状態遷移の特定

提案手法

• Ba(Fe1-xMnx)2As2 の単結晶は、高温溶液成長法を用いた自己フラックス法で成長した。
• 粉末 X線回折を用いた構造的特徴付けを行い、Rietica のリファインを用いて単位格子定数を決定した。
• 電気的輸送、磁化および熱電力測定を実施し、T_s/m および電子的挙動を調査した。
• 水素圧力 (最大 20 kbar) を用いた圧力研究を x=0.102 の試料で実施し、圧力とドーピングの効果を比較した。
• 輸送、磁化および熱電力データから T_s/m と x の関係の相図を構築した。
• コバルト、ニッケル、クロムドープ BaFe2As2 系と比較分析を行い、相転移抑制および電子的応答の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コバルトおよびニッケルドープ系と同様に、BaFe2As2 におけるマンガン置換は超伝導性を誘発するか？
• RQ2 マンガンドープ BaFe2As2 における T_s/m の抑制速度は、コバルト、ニッケル、クロムドープ系と比較してどの程度か？
• RQ3 Ba(Fe1-xMnx)2As2 において、相分離または不混和性が顕著に現れるマンガン濃度 (x) はどの程度か？
• RQ4 熱電力または抵抗率の異常から示唆されるような、電子構造遷移（例えばラフシッツ転移）は存在するか？
• RQ5 x=0.102 の試料において、マンガンドープ効果と水素圧力効果は累積的か？

主な発見

• x ≤ 0.148 の全マンガン濃度で超伝導性は観察されず、T_s/m の抑制は確認された。
• x > 0.1–0.2 でマンガンおよび鉄に富んだ相への相分離が発生し、均一な単相成長が不可能になった。
• マンガンドープによる T_s/m の抑制速度は、コバルト置換の約半分であり、クロム置換よりもわずかに速い。
• T_s/m よりも高い T ≈ 150–200 K で抵抗率の異常が観察され、x ≈ 0.1 付近でラフシッツ転移の可能性が示唆された（S/T のゼロクロスを伴う）。
• x ≈ 0.1 を超えてから磁気転移温度 T_m が x とともに増加するが、コバルト／ニッケル／銅ドープ系とは異なり、単調な抑制とは対照的である。
• x=0.102 の試料において、マンガンドープと水素圧力の効果は累積的ではなく、非加法的な電子的応答を示している。