[論文レビュー] Robust nodal superconductivity induced by isovalent doping in Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

Xiaoqing Qiu, Shaojie Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、50 mKにまで達する超低温熱伝導率測定を用いて、イソバリエントなRuおよびPドーピングを施した鉄ヒ素化物Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂およびBaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂における頑健なノード性超伝導を実証した。最適ドーピングおよびアンダードーピング状態の両方で、熱伝導率の有限な残差線形項（κ₀/T）と√H場依存性が観測されたことから、超伝導ギャップにラインノードが存在することが強く示唆され、これは、ヒ素化物の高さ（hPn）の変化にもかかわらず広いドーピング範囲にわたってノード性ペアリングが安定していることを示している。

ABSTRACT

We present the ultra-low-temperature heat transport study of iron-based superconductors Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$. For optimally doped Ba(Fe$_{0.64}$Ru$_{0.36}$)$_2$As$_2$, a large residual linear term $κ_0/T$ at zero field and a $\sqrt{H}$ dependence of $κ_0(H)/T$ are observed, which provide strong evidences for nodes in the superconducting gap. This result demonstrates that the isovalent Ru doping can also induce nodal superconductivity, as P does in BaFe$_2$(As$_{0.67}$P$_{0.33}$)$_2$. Furthermore, in underdoped Ba(Fe$_{0.77}$Ru$_{0.23}$)$_2$As$_2$ and heavily underdoped BaFe$_2$(As$_{0.82}$P$_{0.18}$)$_2$, $κ_0/T$ manifests similar nodal behavior, which shows the robustness of nodal superconductivity in the underdoped regime and puts constraint on theoretical models.

研究の動機と目的

• 50 mKにまで達する低温での熱伝導率測定を用いて、イソバリエントなRuおよびPドーピングを施したBaFe₂As₂化合物の超伝導ギャップ構造を調査すること。
• Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂およびBaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂のアンダードーピング領域において、ノード性超伝導が持続するかどうかを特定すること、特に予想されるヒ素化物の高さ閾値（hPn ≈ 1.33 Å）付近での挙動を対象とする。
• 鉄ヒ素化物超伝導体におけるノード性超伝導がhPnのみによってチューニングされるという仮説を、異なるドーピングレベルにおける熱伝導率応答を比較することで検証すること。
• ARPESおよびバルク性質のデータとを対比させることで、イソバリエントドーピングを施した鉄ヒ素化物におけるノード性超伝導の起源を明確化すること。

提案手法

• 超低温での面内熱伝導率（κ）を、50 mKにまで達するデュアルフリーザーを用いた標準的4端子定常状態法により測定した。
• 磁場をc軸に沿って印加し、残差線形項（κ₀/T）の場依存性を調べた。均一な磁場分布を確保するため、Tcより上での磁場スイープを実施した。
• ゼロ磁場における残差線形項κ₀/Tおよび低磁場における√H依存性が、超伝導ギャップ内のラインノードの主要な指標として用いられた。
• 試料は長方形に割り、ab面で1.5 × 0.7 mm²、c軸で40–80 μmの寸法とし、エネルギー分散型X線スペクトロスコピーを用いてRuおよびPのドーピングレベルを同定した。
• 抵抗率測定によりTc値を決定し、遷移温度に応じてOP20K（Tc = 20 K）、UD17K（Tc = 17 K）、UD4K（Tc = 4 K）と命名した。
• 理論的比較として、Wiedemann-Franz則（L₀/ρ₀）を用いて正規状態の熱伝導率を推定し、観測されたκ₀/Tが超伝導状態に起因する内在的性質であることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂におけるイソバリエントなRuドーピングは、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるPドーピングと同様にノード性超伝導を誘発するか？
• RQ2 RuおよびPドーピングを施したBaFe₂As₂化合物のアンダードーピング領域における超伝導ギャップ構造は、どのように変化するか？
• RQ3 ヒ素化物の高さ（hPn）は、鉄ヒ素化物におけるノード性とノードレスな超伝導状態の遷移を決定づける唯一のチューニングパラメータであるか？
• RQ4 熱伝導率測定は、ARPES結果における超伝導ギャップ内のノードの位置および性質に関する矛盾を解消できるか？

主な発見

• 最適ドーピング状態のBa(Fe₀.₆₄Ru₀.₃₆)₂As₂（OP20K）において、ゼロ磁場で有限な残差線形項（κ₀/T）が観測され、超伝導ギャップ内にラインノードが存在する強力な証拠が得られた。
• OP20Kにおけるκ₀(H)/Tの√H依存性は、フェルミ表面に沿ったギャップ内のノードが存在することを確認しており、理論的予測と一致する。
• アンダードーピング状態のBa(Fe₀.₇₇Ru₀.₂₃)₂As₂（UD17K）および重度アンダードーピング状態のBaFe₂(As₀.₈₂P₀.₁₈)₂（UD4K）においても、頑健なノード性超伝導が観測され、低磁場でもκ₀/Tが有限のまま維持された。
• hPn値が1.333 Å（UD17K）および1.317 Å（UD4K）と、予想される閾値1.33 Åをわずかに上回っているにもかかわらず、ノード性挙動が持続したため、hPnは唯一のチューニングパラメータではないことが示された。
• 最適ドーピングから重度アンダードーピング領域にわたる広いドーピング範囲にわたりノード性超伝導が持続していることから、RuおよびPドーピングを施した鉄ヒ素化物におけるノード性ペアリングに共通の起源があると考えられる。
• これらの結果は理論的モデルを制限し、hPnのみによるノード性からノードレス状態への単純な遷移を否定し、フェルミ表面のトポロジーまたは局所的電子相関といった追加要因が関与している可能性を示唆している。