[논문 리뷰] Decoupling of the superconducting and magnetic (structural) phase transitions in electron-doped BaFe2As2

P. C. Canfield, S. L. Bud’ko외 3명|ArXiv.org|2009. 04. 20.

Iron-based superconductors research인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 전자 도핑된 BaFe2As2에서 구조 전이/반자성 전이의 억제는 초전도성 유도에 필수적이지만 충분하지 않음을 보여준다. 도핑 원소(Co, Ni, Cu)를 조절하여 상전이의 상한선 억제(도핑 농도/자기축에 의해 결정됨)와 초전도 도메인(전자 수/a/c 비율에 의해 결정됨)을 분리함으로써, 저자들은 자기 순서가 완전히 억제된 상태에서도 초전도성이 나타나기 위해서는 전자 도핑의 좁은 창문 내에서만 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Study and comparison of over 30 examples of electron doped BaFe2As2 for transition metal (TM) = Co, Ni, Cu, and (Co/Cu mixtures) have lead to an understanding that the suppression of the structural/antiferromagnetic phase transition to low enough temperature in these compounds is a necessary condition for superconductivity, but not a sufficient one. Whereas the structural/antiferromagnetic transitions are suppressed by the number of TM dopant ions (or changes in the c-axis) the superconducting dome exists over a limited range of values of the number of electrons added by doping (or values of the {a/c} ratio). By choosing which combination of dopants are used we can change the relative positions of the upper phase lines and the superconducting dome, even to the extreme limit of suppressing the upper structural and magnetic phase transitions without the stabilization of low temperature superconducting dome.

연구 동기 및 목표

• 전자 도핑된 BaFe2As2에서 구조 전이/반자성 전이와 초전도성 간의 관계를 조사한다.
• 상한선의 억제가 초전도성 유도에 충분한지 여부를 판단한다.
• 다른 전이 금속 도핑 원소(Co, Ni, Cu)가 상 경계 및 초전도 도메인에 미치는 영향을 탐구한다.
• 초전도성 유도의 기초가 되는 핵심 물리적 매개변수—전자 수 또는 격자 비틀림—를 규명한다.
• 제어된 도핑 조합을 통해 상한선 억제와 초전도 도메인 간의 분리를 입증한다.

제안 방법

• 플럭스 방법을 사용하여 TM = Co, Ni, Cu 및 Co/Cu 혼합물로 구성된 Ba(Fe1−xTMx)2As2의 단일 결정을 합성하였다.
• 전자 프로브 미세 분석기에서 WDS 분석을 통해 실제 도핑 농도를 측정하여 xWDS를 결정하였다.
• 분말 X선 회절 데이터를 수집하고 UNITCELL 패키지를 사용하여 격자 상수를 추출하였다.
• Quantum Design PPMS 시스템에서 4점 프로브 구성을 사용하여 전기 저항 측정을 수행하였다.
• c축 방향의 분리에 의해 유발되는 측정 오차를 보정하기 위해 저항 데이터를 정규화하였다.
• 상전이 온도를 도핑 농도(x), c축 변화, 전자 수(e)와 관련지어 분석하였으며, a/c 비율을 전자 도핑의 대체 지표로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 도핑된 BaFe2As2에서 구조 전이/반자성 전이의 억제는 초전도성을 안정화시키기에 충분한가?
• RQ2 상한선 억제를 제어하는 물리적 매개변수로 도핑 농도인지 전자 수인지?
• RQ3 초전도 도메인은 추가된 전자의 수와 격자 비틀림(c축 또는 a/c 비율) 사이에 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 도핑 원소 선택을 통해 상한선과 초전도 도메인의 상대적 위치를 독립적으로 조절할 수 있는가?
• RQ5 자기 순서가 완전히 억제된 상태에서도 너무 많은 전자를 도핑하면 초전도 도메인이 왜 사라지는가?

주요 결과

• 전자 도핑된 BaFe2As2에서 구조 전이/반자성 전이의 억제는 초전도성 유도에 필수적이지만 충분하지 않다.
• 상한선 온도는 전자 수가 아니라 도핑 원자 수(x) 또는 c축 변화에 따라 결정된다.
• 초전도 도메인은 전자 도핑의 좁은 범위에서 정의되며, 최대 Tc는 전자 수가 약 1.5–2.0 per formula unit일 때 발생한다.
• Ba(Fe1−xCux)2As2에서 과도한 전자 도핑(e.g., x > 0.2)은 상한선을 억제하지만 초전도 창문은 완전히 놓친다.
• a/c 비율은 전자 수(e)와 강하게 상관되어 있어, 3d 전이 금속 도핑 시스템에서 전자 도핑의 신뢰할 수 있는 실험적 대체 지표가 된다.
• Co/Cu 혼합물을 사용함으로써 상한선 억제와 초전도 도메인 간의 상대적 위치를 분리할 수 있었으며, 이로써 초전도성이 발생하지 않는 상태에서 상한선만 억제된 시스템을 구현할 수 있었다.