[논문 리뷰] Determination of the phase diagram of the electron doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$

Jiun‐Haw Chu, James G. Analytis외 2명|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2008. 11. 15.

Iron-based superconductors research인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 단일 결정에서의 전기적 저항, 열용량, 자화율 및 홀 측정을 통해 코발트 도핑된 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂의 상도를 매핑한다. 그 결과, BaFe₂As₂에서의 단일 자성/구조 전이가 코발트 도핑에 따라 두 개의 별개의 전이로 분리되며, x 증가에 따라 이 두 전이가 모두 억제됨을 밝혀내었고, 최적의 초전도 전이 온도(Tc ≈ 25 K)는 x ≈ 0.06에서 관찰되며, 이는 이러한 전이의 완전한 억제와 동시에 발생하여, 이 시스템에서 고온 초전도성의 근본 원인으로 양자临계점이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Systematic measurements of the resistivity, heat capacity, susceptibility and Hall coefficient are presented for single crystal samples of the electron-doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$. These data delineate an $x-T$ phase diagram in which the single magnetic/structural phase transition that is observed for undoped BaFe$_2$As$_2$ at 134 K apparently splits into two distinct phase transitions, both of which are rapidly suppressed with increasing Co concentration. Superconductivity emerges for Co concentrations above $x \sim 0.025$, and appears to coexist with the broken symmetry state for an appreciable range of doping, up to $x \sim 0.06$. The optimal superconducting transition temperature appears to coincide with the Co concentration at which the magnetic/structural phase transitions are totally suppressed, at least within the resolution provided by the finite step size between crystals prepared with different doping levels. Superconductivity is observed for a further range of Co concentrations, before being completely suppressed for $x \sim 0.018$ and above. The form of this $x-T$ phase diagram is suggestive of an association between superconductivity and a quantum critical point arising from suppression of the magnetic and/or structural phase transitions.

연구 동기 및 목표

• 전자 도핑된 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂의 완전한 x-T 상도를 규명하는 것.
• 전자 도핑된 철계 산화물에서의 구조/자기 전이와 초전도성 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 자기 및 구조적 질서의 억제와 관련된 양자临계점 근처에서 초전도성이 발생하는지 평가하는 것.
• 코발트 도핑과 칼륨 도핑이 자기 질서 억제 및 초전도성 유도에 비해 어느 정도 효과적인지 비교하는 것.
• 부족 도핑된 표본에서 공존하는 초전도성과 대칭성 깨짐 상태의 기원으로서의 상분리 가능성을 배제하는 것.

제안 방법

• 제어된 코발트 농도를 가진 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂의 단일 결정을 자가용매법을 통해 성장시켰다.
• 코발트 농도는 전자 미세분석 분석(EMPA)을 통해 정밀하게 측정되었으며, 표본 간 표준편차는 ±0.15% 이내였다.
• 전기적 저항, 열용량, 자화율 및 홀 계수를 온도 및 코발트 농도(x)의 함수로 측정하였다.
• 자기 측정은 영자장 냉각 및 자장 냉각 조건에서 수행되었으며, 스크리닝 전류 기여도를 평가하기 위해 추가로 분쇄 처리를 실시하였다.
• 상전이는 전기적 저항, 열용량 및 자화율 데이터에서의 급격한 비정상성으로 식별되었다.
• 모든 측정된 물리량의 온도 및 코발트 농도 의존성을 연관시켜 상도를 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코발트 도핑은 Ba(Fe₂As₂)의 구조 및 자성 상전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초전도성이 나타나는 코발트 농도(x)는 얼마이며, 최대 Tc는 어디에 위치하는가?
• RQ3 초전도성과 대칭성 깨짐 상태의 공존은 상분리의 결과인지, 아니면 내재된 전자상 공존의 결과인가?
• RQ4 자기 및 구조 전이의 억제 여부가 최적의 초전도 전이 온도와 관련이 있는가?
• RQ5 자기 질서와 초전도성의 경계에서 양자临계점의 증거가 있는가?

주요 결과

• BaFe₂As₂에서의 단일 자성/구조 전이(134 K)가 코발트 도핑 농도 증가에 따라 두 개의 별개의 전이로 분리되며, 이 두 전이 모두 급격히 억제됨을 확인하였다.
• 두 전이의 임계 온도는 x 증가에 따라 단조롭게 감소하며, x ≈ 0.06에서 Tc 이하로 완전히 억제됨을 확인하였다.
• x > 0.025에서 초전도성이 나타나며, 최대 Tc ≈ 25 K는 x ≈ 0.06에서 관찰되며, 이는 자성 및 구조 전이의 완전한 억제와 동시에 발생함을 확인하였다.
• 초전도성 도메인은 x ≈ 0.025에서 x ≈ 0.18까지 연장되어, 매우 좁은 최적 도핑 범위임을 시사한다.
• 부족 도핑 초전도 상태(x ≈ 0.025–0.06)에서는 상당한 스크리닝 전류가 관찰되었지만, 이는 분쇄 처리 시에 크게 감소하여, 취약한 초전도 상태 또는 내재된 비균일성을 시사한다.
• 상도는 이 시스템에서의 초전도성이 자성 및/또는 구조 질서의 억제와 관련된 양자临계점에 의해 주도된다는 강력한 증거를 제공한다.