[論文レビュー] The electronic specific heat of Ba1-xKxFe2As2 from 2K to 380K

James Storey, J. W. Loram+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高分解能微分法を用いて2K〜380Kの温度範囲で多結晶性Ba1-xKxFe2As2の電子比熱を測定し、電子的寄与を高精度で抽出することに成功した。x=0.3の試料は、Tc=35Kで大きな超伝導異常（Δγ ≈ 48 mJ/mol K²）を示し、ノードなしで強く異方性のある超伝導ギャップと、高いギンブルグ＝ランダウパラメータ（κ≈130）を示しており、強発性II型の性質を示している。

ABSTRACT

Using a differential technique, we have measured the specific heats of polycrystalline Ba1-xKxFe2As2 samples with x=0, 0.1 and 0.3, between 2K and 380K and in magnetic fields 0 to 13 Tesla. From this data we have determined the electronic specific heat coefficient, gamma, over the entire range for the three samples. The most heavily doped sample (x=0.3) exhibits a large superconducting anomaly Delta gamma(Tc)~48mJ/molK^2 at Tc=35K, and we determine the energy gap, condensation energy, superfluid density and coherence length. In the normal state for the x=0.3 sample, gamma~47 mJ/molK^2 is constant from Tc to 380K. In the parent compound (x=0) there is a large almost first order anomaly at the spin density wave (SDW) transition at To=136K. This anomaly is smaller and broader for x=0.1. At low T, gamma is strongly reduced by the SDW gap for both x=0 and 0.1, but above To, gamma for all three samples are similar.

研究の動機と目的

• 微分測定法を用いて、Ba1-xKxFe2As2（x=0, 0.1, 0.3）の全温度範囲における電子比熱係数γを特定すること。
• 特にスピン密度波（SDW）秩序の抑制と超伝導の出現を含め、カリウムドーピングに伴う電子的性質の変化を調査すること。
• 磁場および温度依存性の電子比熱から、エネルギーギャップ、凝縮エネルギー、超伝導体密度、コherence長、上臨界磁場といった主要な超伝導パラメータを抽出すること。
• 超伝導ギャップの性質（ノードあり vs ノードなし）と、正常状態における電子相関の役割を評価すること。

提案手法

• ドーピング有無のBaFe2As2試料間の比熱差を測定する微分法を採用し、格子寄与を最小限に抑えた。
• 2K〜380Kの範囲で高精度なカルリメトリーを実施し、磁場を最大13Tまで変化させ、全比熱からの電子的寄与を分離した。
• 残留格子項の補正を施し、C(T)/Tからγ(T)を導出し、フェルミエネルギー準位近傍の電子スペクトル解析を可能にした。
• 磁場依存測定を用いて電子的エントロピーおよび自由エネルギーの変化を抽出し、s波超伝導体のHao-Clemモデルに適合させた。
• 自由エネルギーの磁場依存性をフィッティングし、ギンブルグ＝ランダウ関係式を用いてλ(0)、Hc2、Hc1、Hc、およびξを抽出した。
• 磁場およびゼロ磁場のデータからγ(H) = γ(H,T) − γ(0,T)を計算し、超伝導状態の熱力学的性質を特定することに成功した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カリウムドーピング（x=0.1, 0.3）がT₀=136Kで見られるスピン密度波（SDW）転移をどのように抑制し、電子比熱にどのような影響を与えるか？
• RQ2 x=0.3試料における超伝導ギャップの性質は何か？ノードを有するか、あるいは異方性を示すか？
• RQ3 x=0.3試料における主要な超伝導パラメータ（上臨界磁場Hc2、ペネトレーション深さλ、コherence長ξ、ギンブルグ＝ランダウパラメータκ）は何か？
• RQ4 正常状態における電子比熱はドーピングに伴いどのように変化するか？これは状態密度およびSDWギャップ形成に何を示唆するか？
• RQ5 低温域における電子的T²項が、固有の電子的寄与を反映しているのか、それとも格子効果に起因するのか、その程度はいかほどか？

主な発見

• x=0.3試料は、Tc=35KでΔγ(Tc) ≈ 48 mJ/mol K²の大きな超伝導異常を示し、強い超伝導転移を示している。
• x=0.3試料では、Tcから380Kにかけても正常状態のγが約47 mJ/mol K²でほぼ一定であり、電子的再規格化が最小限で、ギャップなしに近い安定した正常状態であることが示唆された。
• 超伝導ギャップはノードなしで強く異方性を示しており、自由エネルギーの磁場依存性から、複数ギャップまたは非常に異方性のあるs波対称性のペアリングと整合的である。
• 上臨界磁場Hc2は、x=0.45単結晶の高周波数透過深度測定値および赤外分光法（λ(0)≈260 nm）の結果と整合的である。
• Londonペネトレーション深さλ(0)≈260 nmおよび高いκ≈130は、x=0.3試料における強発性II型超伝導挙動を明確に確認した。
• 2.5Kにおける自由エネルギーの磁場依存性は、s波超伝導体のHao-Clemモデルにより良好にフィッティングされ、完全ギャップを有するノードなしの超伝導状態を支持する。