[論文レビュー] The intrinsic electronic phase diagram of iron-oxypnictide superconductors

C. Heß, A. Kondrat+6 more|ArXiv.org|Nov 10, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、広いドーピング範囲におけるLaFeAsO₁₋ₓFₓおよびSmFeAsO₁₋ₓFₓの電気抵抗率測定を用いて、鉄酸ヒ素化物超伝導体の最初の包括的内在電子相図を提示する。その結果、高温超伝導が異常な常態輸送特性を示す領域から出現することが判明した—これは仮想ギャップやスピン密度波の特徴に類似している—一方、高ドーピング域ではフェルミ液体的挙動が現れ、より強い異常がSm系化合物のTcの向上と相関している。

ABSTRACT

We present the first comprehensive derivation of the intrinsic electronic phase diagram of the iron-oxypnictide superconductors in the normal state based on the analysis of the electrical resistivity $ρ$ of both LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ and SmFeAsO$_{1-x}$F$_x$ for a wide range of doping. Our data give clear-cut evidence for unusual normal state properties in these new materials. In particular, the emergence of superconductivity at low doping levels is accompanied by distinct anomalous transport behavior in $ρ$ of the normal state which is reminiscent of the spin density wave (SDW) signature in the parent material. At higher doping levels $ρ$ of LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ shows a clear transition from this pseudogap-like behavior to Fermi liquid-like behavior, mimicking the phase diagram of the cuprates. Moreover, our data reveal a correlation between the strength of the anomalous features and the stability of the superconducting phase. The pseudogap-like features become stronger in SmFeAsO$_{1-x}$F$_x$ where superconductivity is enhanced and vanish when superconductivity is reduced in the doping region with Fermi liquid-like behavior.

研究の動機と目的

• 抵抗率測定を用いて、鉄酸ヒ素化物超伝導体の常態における内在電子相図を導出すること。
• 異常な常態輸送挙動と超伝導の出現との関係を調査すること。
• LaFeAsO₁₋ₓFₓとSmFeAsO₁₋ₓFₓにおける電子的性質のドーピング依存的変化を比較し、磁気的および構造的不安定性の役割を理解すること。
• 仮想ギャップに類似した特徴の強度と超伝導転移温度Tcとの相関を特定すること。
• 磁気的不均一性の文脈において、非超伝導状態から超伝導状態への転移が連続的か一次的かを明確にすること。

提案手法

• 単結晶のLaFeAsO₁₋ₓFₓ (0 ≤ x ≤ 0.2)およびSmFeAsO₁₋ₓFₓ (0 ≤ x ≤ 0.1)に対して、四端子法を用いて電気抵抗率ρ(T)を測定した。
• ρ(T)データをρ(296 K)で正規化し、線形および2次関数フィット（ρ(T) = ρ₀ + AT²）を用いて低温挙動を抽出し、フェルミ液体的状態と異常状態を識別した。
• XRDおよびμSRデータと比較することで、抵抗率の異常から得られる特徴的な温度T_maxおよびT_dropが、構造転移およびスピン密度波（SDW）転移に対応することを特定した。
• WDXを用いて実際のFドーピングレベルを確認し、抵抗率のドーピング依存的変化を超伝導Tcおよび磁気秩序状態と関連づけた。
• xの関数としてT_max、T_drop、T_S（構造的）、T_cをプロットすることで、相図を構築した。La系およびSm系の比較を実施した。
• 低温抵抗率上昇をキャリア局在化およびSDWギャップ形成の印として用い、特にLaFeAsO₁₋ₓFₓにおいて顕著であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄酸ヒ素化物超伝導体におけるドーピングに伴う常態抵抗率ρ(T)の変化はどのように進行し、電子的不安定性を何が示唆するか？
• RQ2 ρ(T)における仮想ギャップに類似した異常は、超伝導状態においても持続するか？また、母体化合物のスピン密度波（SDW）状態とどのように関連しているか？
• RQ3 なぜSmFeAsO₁₋ₓFₓでは強い抵抗率異常にもかかわらずTcが向上しているのか？LaFeAsO₁₋ₓFₓと比べてどのように異なるか？
• RQ4 非超伝導磁気的状態から超伝導状態への転移は連続的か一次的か？不均一性はその過程にどのような役割を果たすか？
• RQ5 高ドーピング域におけるフェルミ液体的挙動の出現は、超伝導の抑制および異常輸送とどのように相関しているか？

主な発見

• LaFeAsO₁₋ₓFₓの抵抗率は、母体化合物においてT_max ≈ 160 Kに明確な最大値を示し、T_drop ≈ 137 Kで急激な低下を示す。これは構造転移およびSDW転移に対応する。
• LaFeAsO₁₋ₓFₓのアンダードーピング領域（x ≤ 0.04）では、抵抗率の異常が持続し、仮想ギャップ的挙動に類似している。低温上昇はキャリア局在化およびSDWギャップ形成を示唆している。
• 高ドーピング領域（x = 0.15）では、~150 K未満でフェルミ液体的挙動（ρ ∝ T²）を示し、異常状態から常識的金属的状態への遷移を示している。
• SmFeAsO₁₋ₓFₓでは、仮想ギャップに類似した異常はLa系化合物よりも強く、低温抵抗率上昇は観察されない。これはSDWギャップの低減および電子的スクリーニングの向上を示唆している。
• SmFeAsO₁₋ₓFₓでは、強い抵抗率異常にもかかわらずTcが顕著に向上しており、異常な常態挙動と高Tc超伝導の直接的な相関があることを示している。
• 相図は、酸化銅系に類似した特徴を示しており、低ドーピング域では仮想ギャップに類似した異常、高ドーピング域ではフェルミ液体的挙動が超伝導ドームを囲む。ただし、超伝導への転移は一次的または不均一的である可能性が高い。