[論文レビュー] Specific heat of the iron-based high-$T_c$ superconductor SmO$_{1-x}$F$_x$FeAs

L. Ding, C. He+5 more|ArXiv.org|Apr 23, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、SmO1-xFxFeAsの比熱を調査し、ドーピングされていない母体化合物において130 Kの構造的／スピン密度波（SDW）転移を明らかにした。フッ素ドーピングによりこの転移が抑制され、ドーピング試料ではTc=54 K付近に明確な超伝導比熱異常が観察された。これはラントナム系の類縁体とは対照的である。母体化合物に見られる4.6 Kの鋭い比熱ピークは、Sm3+イオンの反強磁性秩序化に起因するとされ、Sm2-xCexCuO4-δとの比較と磁気的エントロピー解析によって裏付けられた。

ABSTRACT

The specific heat $C(T)$ of new iron-based high-$T_c$ superconductor SmO$_{1-x}$F$_x$FeAs ($0 \leq x \leq 0.2$) was systematically studied. For undoped $x$ = 0 sample, a specific heat jump was observed at 130 K. This is attributed to the structural or spin-density-wave (SDW) transition, which also manifests on resistivity as a rapid drop. However, this jump disappears with slight F doping in $x$ = 0.05 sample, although the resistivity drop still exists. The specific heat $C/T$ shows clear anomaly near $T_c$ for $x$ = 0.15 and 0.20 superconducting samples. Such anomaly has been absent in LaO$_{1-x}$F$_x$FeAs. For the parent compound SmOFeAs, $C(T)$ shows a sharp peak at 4.6 K, and with electron doping in $x$ = 0.15 sample, this peak shifts to 3.7 K. It is interpreted that such a sharp peak results from the antiferromagnetic ordering of Sm$^{3+}$ ions in this system, which mimics the electron-doped high-$T_c$ cuprate Sm$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_{4-δ}$.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングレベル（x = 0 から 0.2）の範囲でSmO1-xFxFeAsの比熱を系統的に測定し、その熱力学的相転移をマップすること。
• 母体化合物における130 Kの異常（異常）の性質を明確にし、それが構造的転移、SDW転移、あるいは両者の組み合わせに起因するかを特定すること。
• Sm系鉄pnict化物における超伝導比熱異常の有無とその特徴を調査し、La系類縁体では同様の異常が観察されないのと対比すること。
• 母体およびドーピング化合物におけるSm3+イオンの磁気的秩序化に関連する低温比熱特徴を特定・特徴づけること。

提案手法

• 多結晶SmO1-xFxFeAs試料（x = 0, 0.05, 0.15, 0.20）について、2–300 Kの範囲でQuantum Design PPMSを用いたリラクゼーション法により比熱を測定した。
• 超伝導試料（x = 0.15および0.20）について、8 Tの磁場下での比熱測定を実施し、超伝導ギャップの対称性を調べた。
• 比熱の電子的および磁気的寄与を式 C = γT + βT³ + Cm により分離し、Cmは磁気的比熱を表す。
• 磁気的エントロピーSをCm(T)から計算し、Sm3+イオンの基底状態の degeneracy を確認した。R ln2への飽和は、双重項基底状態を示している。
• データは14–20 Kの範囲でフィッティングし、電子的比熱係数γおよびフォノン係数βを抽出したが、温度範囲が限定されており、磁気的相関の可能性があるため注意を要した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmOFeAsにおける130 Kの比熱ジャンプは、構造的転移、SDW転移、あるいは両者のいずれに起因するか？
• RQ2 F置換による電子ドーピングは、130 Kの転移の抑制および超伝導の出現にどのように影響するか？
• RQ3 Tcが類似しているにもかかわらず、SmO1-xFxFeAsでは明確な超伝導比熱異常が観察されるが、LaO1-xFxFeAsでは同様の異常が観察されないのはなぜか？
• RQ4 母体化合物に見られる4.6 Kの鋭い比熱ピークの原因は何か？また、電子ドーピングによってどのように変化するか？
• RQ5 SmO1-xFxFeAsにおける低温比熱異常は、Sm3+イオンの磁気的秩序化に起因するものか？また、電子ドーピングされた銅酸化物と比較してどう異なるか？

主な発見

• x = 0の試料において130 Kで観察された比熱ジャンプは、構造的またはスピン密度波（SDW）転移を示しており、Fドーピング（x = 0.05）により抑制されたが、抵抗率の低下は依然として観察された。
• x = 0.15およびx = 0.20の試料では、Tc = 54 K付近に明確な比熱異常が観察され、La系類縁体では同様の異常が観察されなかったのと対照的に、より高い超伝導流体密度を示している。
• x = 0の試料に見られる4.6 Kの鋭い比熱ピークは、Sm3+イオンの反強磁性秩序化に起因するとされ、電子ドーピングにより（x = 0.15）ピークは3.7 Kにシフトした。
• この転移に伴う磁気的エントロピーはR ln2に飽和し、結晶場内でのSm3+イオンの双重項基底状態を確認した。
• x = 0の試料では、非常に高い電子的比熱係数γ（119.4 mJ/mol·K²）を示し、強い磁気的相関を示唆するが、14–20 Kという限られた温度範囲でのフィッティングのため、信頼性に懸念が残る。
• 8 Tの磁場下でもγ値はわずかに上昇（81.0から83.7 mJ/mol·K²）するにとどまり、弱い磁場依存性を示し、La系系とは異なり強い磁場依存性を示さない。