[論文レビュー] Tetragonal magnetic phase in Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ from x-ray and neutron diffraction

Jared M. Allred, Sevda Avcı+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、液体ヘリウム冷凍器を用いた高分解能X線および中性子粉末回折を組み合わせることで、ドーピング量x = 0.24の穴ドープBa1-xKxFe2As2において、少数相である四角晶磁気相（C4相）を同定した。この相は、事前にBa1-xNa xFe2As2で観察されたC4相と構造的・磁気的類似性を示しており、約30 K未塔で出現し、約22 Kで約8%の相分率を示す。超伝導転移温度Tc未満では相が抑制されることから、これは穴ドープ122系鉄ベース超伝導体の普遍的特徴であり、競合するフェルミ面ネストに起因する移行的スピンネマチック理論とも整合的であることが示された。

ABSTRACT

Combined neutron and x-ray diffraction experiments demonstrate the formation of a low-temperature minority tetragonal phase in Ba$_{0.76}$K$_{0.24}$Fe$_2$As$_2$ in addition to the majority magnetic, orthorhombic phase. A coincident enhancement in the magnetic ($\frac{1}{2}$ $\frac{1}{2}$ 1) peaks shows that this minority phase is of the same type that was observed in Ba$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ ($0.24 \leq x \leq 0.28$), in which the magnetic moments reorient along the $c$-axis. This is evidence that the tetragonal magnetic phase is a universal feature of the hole-doped iron-based superconductors.

研究の動機と目的

• 穴ドープBa1-xKxFe2As2系に、事前にBa1-xNa xFe2As2で観察された四角晶磁気C4相が存在するかどうかを特定すること。
• 高分解能回折技術を用いて、Ba1-xKxFe2As2におけるC4相の構造的および磁気的特性を調査すること。
• C4相の安定性および超伝導性や従来のC2ストライプSDW相との相競合関係を評価すること。
• C4相がドーパントカチオン（NaとK）に依存しない、穴ドープ122系鉄ベース超伝導体における普遍的特徴であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 波長λ = 0.413429 Åの液体ヘリウム冷凍器を用いたアドバンスドフォトンソース（ビームライン11-BM-B）における高分解能粉末X線回折（PXRD）を実施した。
• 磁気的および構造的相転移をプローブするため、ISISパulses中性子・ミューオンソース（Wishビームライン）における高強度粉末中性子回折（PND）を実施した。
• GSASおよびEXPGUIを用いたリエーティルド解析により、PXRDおよびPNDデータを分析し、格子定数、相分率、磁気ピーク強度を抽出した。
• 10.5 Kから120 Kの温度範囲で、微細な温度制御を実施し、温度依存の回折パターンを測定した。
• 中性子データの(1/2 1/2 1)磁気ピーク強度とX線データの構造的分離を照合することで、磁気的および構造的特徴の相関を評価した。
• 2番目の試料（x = 0.225）を分析し、C4相の下限組成を特定した。その結果、x < 0.22でC4相が存在しないことが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 x = 0.24のBa1-xKxFe2As2に四角晶磁気C4相が存在するか。また、これはBa1-xNa xFe2As2におけるC4相と構造的・磁気的に同一であるか。
• RQ2 Ba1-xKxFe2As2におけるC4相の温度的・組成的安定性範囲は何か。C2ストライプSDW相と比較するとどうなるか。
• RQ3 C4相は超伝導性とどのように競合するか。Tc未満では完全に抑制されるか。
• RQ4 C4相は穴ドープ122系鉄ベース超伝導体における普遍的特徴であるか。それとも特定のドーパントに特異的か。
• RQ5 C4相とC2相の共存は、特に移行的スピンネマチック理論の文脈において、基礎的な電子的メカニズムに何を示唆するか。

主な発見

• Ba0.76K0.24Fe2As2において、約30 K未満で少数相の四角晶磁気相（C4相）が観察され、約22 Kで最大で約8%の相分率を示した。
• C4相は、X線の(112)および(114)ピークの分裂と、中性子の(1/2 1/2 1)磁気ピーク強度の増大によって確認され、Ba1-xNa xFe2As2におけるC4相の特徴と一致した。
• C4相はTc未満で抑制され、12 K未満では検出可能な信号が得られなかった。これは、超伝導状態で相が完全に抑制されることを示唆している。
• Ba0.775K0.225Fe2As2（x = 0.225）ではC4相が存在せず、C4相の安定性の下限組成がx ≥ 0.24であると特定された。
• C4相の面内格子定数は、主要な正方晶相よりも小さいことから、構造的歪みが生じていることが示された。
• C4相とC2相の共存、およびC4相が組成および温度に極めて感受的であることは、SDWドームの縁近くでC2相とC4相の自由エネルギーがほぼ縮退している移行的スピンネマチック理論と整合的である。