[논문 리뷰] Abnormal T-linear susceptibility and Phase diagram of BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals

X. F. Wang, Tzong‐Ming Wu외 5명|ArXiv.org|2008. 11. 18.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전도도, 자화율 및 열용량 측정을 통해 BaFe₂₋ₓCoₓAs₂ 단일결정에서 전자적 상전이를 조사한다. Co 도핑에 의해 비페르미 액체에서 페르미 액체로의 전이가 발생하며, 700 K까지 비정상적인 T선형 자화율이 관측되어 강한 반자성 플라줄로 인한 강한 반자성 플라줄이 존재함을 시사한다. 또한 x ≈ 0.17–0.20 도핑 범위에서 스핀 밀도파(SDW) 질서와 초전도성의 공존이 확인되며, 초전도 전이 온도가 도우프형을 이루고, x ≤ 0.40 범위에서 상세한 전자적 상도가 확립된다.

ABSTRACT

We study systematically transport, susceptibility and heat capacity for BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals. In the underdoped region, spin density wave (SDW) transition is observed in both resistivity and susceptibility. The magnetic susceptibility shows unusual T-linear dependence above SDW transition up to 700 K. With Co doping, SDW ordering is gradually suppressed and superconductivity emerges with a dome-like shape. Electrical transport, specific heat and magnetic susceptibility indicate that SDW and superconductivity coexist in the sample BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ around x = 0.17, being similar with (Ba,K)Fe$_2$As$_2$. When x$>$0.34, the superconductivity completely disappears. A crossover from non-Fermi-liquid state to Fermi-liquid state is observed with increasing Co doping. A detailed electronic phase diagram about evolution from SDW to superconducting state is given.

연구 동기 및 목표

• Co 도핑된 BaFe₂As₂ 단일결정에서 전자적 상의 진화를 이해하기 위해.
• 부족도핑 영역에서 스핀 밀도파(SDW) 질서와 초전도성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• SDW 질서와 초전도성이 공존하는 조건을 규명하기 위해.
• Co 도핑의 함수로 SDW 상태에서 초전도 상태로의 전자적 상도를 그림으로 그려내기 위해.
• 전도도 및 자화율 측정을 통해 비페르미 액체에서 페르미 액체로의 전이 현상을 조사하기 위해.

제안 방법

• BaFe₂₋ₓCoₓAs₂ 단일결정은 오염을 최소화하기 위해 FeAs를 플럭스로 사용한 자기플럭스 방법으로 성장시켰다.
• X선 회절을 통해 c축 방향으로 정렬된 고순도 단일결정을 확인하였으며, Co 도핑에 따라 c격자 매개변수가 선형 감소함을 확인하였다.
• 전기적 전도도는 ac 사단자 측정법을 사용하였으며, 홀 효과는 ac 사단자 기법으로 측정하였다.
• 자화율 측정은 SQUID 자화도계량법을 사용하였으며, 평면내 자기저항은 물리적 성질 측정 시스템(PPMS)에서 측정하였다.
• 상전이 탐지 목적의 열용량 측정을 실시하였으며, 자기장 하에서의 데이터를 통해 초전도성 기여도를 분리하였다.
• 저항도 비정상성(Tₛ), 초전도 전이(T_c), 자화율 데이터를 기반으로 상도를 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co 도핑은 BaFe₂₋ₓCoₓAs₂에서 스핀 밀도파(SDW) 질서에서 초전도성으로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 SDW 전이 이상에서 관측된 700 K까지의 T선형 의존성은 자화율의 성질에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 부족도핑 영역에서 초전도성이 SDW 질서와 공존하는가, 만약 그렇다면 어떤 도핑 범위에서 공존하는가?
• RQ4 Co 도핑 증가에 따라 전자 상태는 비페르미 액체에서 페르미 액체로의 행동으로 어떻게 진화하는가?
• RQ5 0 ≤ x ≤ 0.40 범위에서 BaFe₂₋ₓCoₓAs₂의 상세한 전자적 상도는 어떻게 구성되는가?

주요 결과

• 자화율은 SDW 전이 이상에서 700 K까지 비정상적인 T선형 의존성을 보이며, 강한 반자성 플라줄이 존재함을 시사한다.
• Co 도핑은 SDW 질서를 억제하고 도우프형 T_c를 보이는 초전도성을 유도하며, x = 0.20에서 최대 25 K에 도달한다.
• 저항도, 열용량 및 자기저항 측정을 통해 x ≈ 0.17–0.20 범위에서 SDW와 초전도성의 공존이 확인된다.
• x = 0.17에 대한 열용량 데이터는 Tₛ ≈ 135 K(SDW)에서 명확한 점프와 T_c ≈ 20 K(초전도성)에서 뚜렷한 피크를 보이며, 14 T 자기장 하에서 확인되었다.
• 비페르미 액체에서 페르미 액체로의 전이가 관측된다: 부족도핑 샘플에서는 저항도의 거듭제곱 법칙(R = A + BTⁿ)에서 n ≈ 1이었고, 과도핑 샘플에서는 n ≈ 2로 변화한다.
• x > 0.34에서는 초전도성이 완전히 소멸하며, 자화율은 T선형에서 쿠리-바우스 유사 행동으로 전이되어 강한 자기 플라줄의 상실을 시사한다.