[논문 리뷰] Copper Doping of BaNi$_{2}$As$_{2}$: Giant Phonon Softening and Superconductivity Enhancement

K. Kudo, Masaya Takasuga외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 17.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 구리 도핑이 BaNi₂As₂에서 x ≈ 0.16에서 삼주기성에서 정방성 구조 전이를 유도하며, 거대한 격자 진동수의 연약해짐을 유발하고 초전도 전이 온도 Tc를 0.6 K에서 2.5–3.2 K로 향상시킨다. 이 향상은 격자 연약화에 의해 유도되는 강한 결합 초전도성에 기인하며, 인 도핑된 BaNi₂As₂에서 관찰되는 효과와 유사하지만 철 기반 유사체에서의 구리 도핑과는 대조된다.

ABSTRACT

The effects of copper doping on the structural and superconducting phase transitions of Ba(Ni$_{1-x}$Cu$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ were studied by examining the resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat. We found an abrupt increase in the superconducting transition temperature $T_{ m c}$ from 0.6 K in the triclinic phase with less copper ($x$ $\leq$ 0.16) to 2.5-3.2 K in the tetragonal phase with more copper ($x$ $>$ 0.16). The specific-heat data suggested that doping-induced phonon softening was responsible for the enhanced superconductivity in the tetragonal phase. All of these observations exhibited striking similarities to those observed in the phosphorus doping of BaNi$_{2}$(As$_{1-x}$P$_{x}$)$_{2}$ [K. Kudo et al., Phys. Rev. Lett. 109, 097002 (2012).], which markedly contrast the behavior of phosphorus and copper doping of the iron-based superconductor BaFe$_{2}$As$_{2}$.

연구 동기 및 목표

• BaNi₂As₂에서의 구리 도핑이 구조 전이 및 초전도 전이에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 구리 도핑이 삼주기성 상을 억제하고, 인 도핑과 유사하게 초전도성을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 격자 진동 및 격자 역학이 니켈 기반 122 체계에서 향상된 초전도성의 매개 역할을 하는지 탐색하기 위해.
• 철 기반 BaFe₂As₂에서의 구리 도핑 효과와 비교하여 니켈 기반 BaNi₂As₂에서의 구리 도핑 행동을 분석하기 위해.

제안 방법

• Ba(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂의 단일 결정은 Ba, Ni, Cu, As의 제어된 스토이히오메트릭 혼합물을 사용한 플럭스 방법으로 성장시켰다.
• 전기 저항도, 자화율, 비열 측정은 상 전이 및 초전도성을 탐색하기 위해 Quantum Design PPMS 및 MPMS를 사용하여 수행되었다.
• 분말 X선 회절 및 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 통해 상 순도 및 정확한 구리 농도 x를 확인하였다.
• XRD 데이터에서 격자 상수 a, c 및 부피를 추출하여 도핑에 따른 구조적 변화를 분석하였다.
• 비열 데이터에서 C/T 대 T² 그래프의 기울기를 통해 Debye 온도 ΘD를 결정하여 격자 진동수의 연약화를 정량화하였다.
• Tc 및 구조 전이 온도(Ts)를 사용하여 전자 상도를 구성하여 상 안정성과 초전도 반응 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구리 도핑은 BaNi₂As₂에서 삼주기성 상 전이를 억제하고 초전도성을 향상시키는가?
• RQ2 Cu 도핑된 BaNi₂As₂에서 향상된 초전도 전이 온도 Tc에 기여하는 격자 진동수의 연약화의 역할은 무엇인가?
• RQ3 전자 밀도가 패스트 수준에서의 전자 밀도 상태는 구리 도핑에 따라 어떻게 변화하며, Tc 향상과 관련이 있는가?
• RQ4 비록 유사한 도핑 화학을 공유하고 있지만, 왜 구리 도핑은 BaNi₂As₂에서는 Tc를 향상시키지만 BaFe₂As₂에서는 억제하는가?
• RQ5 고도금량에서 관찰된 Ba(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂의 혼화성 갭의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 순수한 BaNi₂As₂에서의 초전도 전이 온도 Tc는 0.6 K에서 x > 0.16인 정방성 상에서 2.5–3.2 K로 증가하여 상당한 향상이 있음을 나타낸다.
• 삼주기성에서 정방성으로의 구조 전이 온도는 x = 0.156에서 약 130 K에서 40 K로 낮아졌고, x = 0.292에서 사라지며 삼주기성 상의 완전한 억제를 나타낸다.
• 상 경계에서 Debye 온도 ΘD는 약 40% 감소(약 250 K에서 약 150 K로)하여, 구리 도핑에 의한 거대한 격자 진동수의 연약화를 나타낸다.
• 전자 비열 계수 γ는 도핑 농도에 관계없이 거의 일정하게 유지되어 패스트 수준에서의 전자 밀도 상태에 거의 변화가 없음을 나타낸다.
• 고도금량에서 x = 0.485에서 x = 0.939 사이에 혼화성 갭이 관찰되어 고체 용액 형성이 방해되고 고도금량에서 초전도성이 억제된다.
• 구리 도핑에 의한 구조적 반응(상수 a 증가, c 감소, 부피 팽창)은 인 도핑과는 뚜렷이 대조되며(부피 수축), 화학적 압력가 주요 원인임을 배제한다.