[論文レビュー] Thermal expansion and anisotropic pressure derivatives of T_c in Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 single crystals

S. L. Bud’ko, Ni Ni+3 more|ArXiv.org|Jan 13, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、Ehrenfest関係を用いて一軸圧力下でのT_cの導関数を求めるために、Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂単結晶における異方性熱膨張および比熱を測定した。コバルトドーピングされた試料では、面内方向とc軸方向のT_cの圧力導関数の符号が逆転しており、ドーピングレベルに応じて逆転する強い異方性が示され、正方晶相と orthorhombic 相における電子的応答の相違を示唆している。

ABSTRACT

Heat capacity and anisotropic thermal expansion was measured for Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 (x = 0, 0.038, 0.074) single crystals. Thermal expansion is anisotropic and, in tetragonal phase, is significantly higher along the c-axis. Previously reported phase transitions, including possibly split structural and magnetic for x = 0.038 are clearly seen in both measurements. Uniaxial pressure derivatives of the superconducting transition temperature inferred from the Ehrenfest relation have opposite signs for in-plane and c-axis pressures for both Ba(Fe_{0.962}Co_{0.038})_2As_2 and Ba(Fe_{0.926}Co_{0.074})_2As_2, with the opposite sign of this anisotropy.

研究の動機と目的

• 異なるドーピングレベルにおけるBa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂単結晶の異方性熱膨張および相転移を調査すること。
• 比熱および熱膨張データからEhrenfest関係を用いてT_cの一次圧力導関数（dT_c/dp_a および dT_c/dp_c）を決定すること。
• 構造的および電子的異方性が一軸ひずみ下での超伝導転移温度T_cに与える影響を調査すること。
• 結晶対称性（orthorhombic 相対比正方晶相）、磁気的／構造的転移、および超伝導性の関係を明確にすること。

提案手法

• Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0, 0.038, 0.074）の単結晶は自己溶媒法を用いて成長させ、WDSおよびラウエ回折を用いて特性評価を行った。
• 比熱測定はPPMS-14装置を用いたハイブリッド断熱緩和法で実施した。
• 熱膨張測定は、OFHC銅で作られた容量型ダイラトメータを用い、a軸およびc軸方向のひずみをモニタリングした。
• ダイラトメトリーデータから、異方性熱膨張係数（αₐ、α_c、β）および相対的変化（Δa/a₀、Δc/c₀、ΔV/V₀）を抽出した。
• Ehrenfest関係を比熱および熱膨張データに適用し、T_cの一次圧力導関数（dT_c/dp_a および dT_c/dp_c）を推定した。
• 結果は、静水圧下での抵抗測定および中性子回折データと整合性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の熱膨張は、異なるドーピングレベルにおいてa軸およびc軸方向にどのように異方的になるか？
• RQ2 x = 0.038の試料で観察された比熱および熱膨張の二つの異常は、それぞれ構造的・磁気的転移とどのように関係しているか？
• RQ3 コバルトドーピングされたBa122において、面内ひずみとc軸ひずみの両方におけるT_cの一次圧力導関数はどのように異なるか？
• RQ4 x = 0.038とx = 0.074の間で、T_cの一次圧力導関数の符号が反転するのはなぜか？また、これにより電子構造の異方性にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 結晶対称性（orthorhombic 相 対 比 正方晶相）は、T_cが一軸ひずみに与える応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 熱膨張は異方的であり、正方晶相では室温でα_c ≈ 3α_aであることが示され、c軸方向の格子応答が強いことが示された。
• Ba(Fe₀.₉₆₂Co₀.₀₃₈)₂As₂では、一次圧力導関数がdT_c/dp_a < 0およびdT_c/dp_c > 0であることが判明し、面内圧力ではT_cが低下し、c軸圧力では上昇することが示された。
• Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂では、一次圧力導関数が逆転し、dT_c/dp_a > 0およびdT_c/dp_c < 0であることが確認され、x = 0.038試料とは逆の異方性を示した。
• 二つの試料における一次圧力導関数の符号の逆転は、ドーピングに伴い電子的応答が反転することを示しており、低温相の結晶対称性の変化と関連している。
• Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂の超伝導転移は、Δα_aとΔα_cの符号が逆であることに起因する異方性格子軟化を確認した。
• 一軸データから推定された静水圧下でのT_c導関数は、直接的な抵抗測定による静水圧下の測定結果と整合せず、軟らかく異方的な結晶における測定アーティファクトおよびPoisson応力効果の影響が考えられる。