[논문 리뷰] First Order Phase Transition and Superconductivity in BaNi2As2 Single Crystals

F. Ronning, Nobuyuki Kurita외 6명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2008. 07. 24.

Iron-based superconductors research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 130 K에서 일阶 전이를 나타내는 고품질 BaNi₂As₂ 단일결정의 합성을 보고하며, 이는 스핀 밀도파(SDW) 및 구조 전이로 기인하며, 0.7 K에서 부피 초전도성도 관찰된다. 니켈 기반 초전도체에서 경쟁하는 상들에 대한 이해를 위한 핵심적 진전이다.

ABSTRACT

We report the synthesis and physical properties of single crystals of stoichiometric BaNi2As2 that crystalizes in the ThCr2Si2 structure with lattice parameters a = 4.112(4) Åand c = 11.54(2) Å. Resistivity and heat capacity show a first order phase transition at T_0 = 130 K with a thermal hysteresis of 7 K. The Hall coefficient is weakly temperature dependent from room temperature to 2 K where it has a value of -4x10^{-10} Ω-cm/Oe. Resistivity, ac-susceptibility, and heat capacity find evidence for bulk superconductivity at T_c = 0.7 K. The Sommerfeld coefficient at T_c is 11.6 \pm 0.9 mJ/molK^2. The upper critical field is anisotropic with initial slopes of dH_{c2}^{c}/dT = -0.19 T/K and dH_{c2}^{ab}/dT = -0.40 T/K, as determined by resistivity.

연구 동기 및 목표

• 스핀 구조를 가진 스테이션어리 BaNi₂As₂ 단일결정의 고품질 합성 (ThCr₂Si₂ 구조).
• BaNi₂As₂의 전자적 및 자성 전이를 조사하며, 특히 130 K 근처의 전이 특성에 초점.
• 일阶 전이와 함께 부피 초전도성이 공존하는지 확인하고, 초전도 특성 매개변수를 규명.
• 다른 122형 철계 산화물 수소화물 및 관련 니켈 기반 화합물과의 전자적 거동 비교.
• 경쟁하는 상들—특히 스핀 밀도파(SDW)와 초전도성—이 스테이션어리 BaNi₂As₂의 기저 상태를 결정하는 데 미치는 영향 탐색.

제안 방법

• Ba:Ni:As:Pb = 1:2:2:20의 스테이션어리 비율을 사용한 Pb-플럭스 방법을 통해 BaNi₂As₂ 단일결정을 성장.
• 단일결정 X선 회절을 통해 결정 구조 및 격자 상수 결정 (a = 4.112(4) Å, c = 11.54(2) Å, 공간군 I4/mmm).
• 2 K에서 300 K까지 전기 저항도, ac-자화율, 열용량 측정을 수행하여 전이 및 초전도성 탐색.
• 저온 열용량을 C = γT + βT³ + αT⁵로 피팅하여 소머펠트 계수 γ 및 디바이 온도 θD 추출.
• ab 평면 및 c축에 자기장을 적용한 저항도 데이터에서 상한 임계장 Hc2를 추출하며, 50% 저항도 전이 기준 사용.
• Φ₀ = 2.07×10⁻⁷ Oe·cm²를 사용하여 기니스부르크-랜드의 협동 길이 공식 ξ = (Φ₀ / 2πHc2(0))¹ᐟ²를 통해 협동 길이 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스테이션어리 BaNi₂As₂는 일阶 전이를 나타내는가? 그 성격은 구조 전이, 자성 전이, 또는 둘 다인가?
• RQ2 BaNi₂As₂에 초전도성이 존재하는가? 존재한다면 임계 온도 Tc는 얼마인가?
• RQ3 니켈 기반의 Ni₂As₂ 계면을 가진 스테이션어리 화합물에서 일阶 전이와 함께 초전도성이 공존할 수 있는가?
• RQ4 상한 임계장 Hc2의 이방성은 무엇이며, 초전도 협동 길이와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 BaNi₂As₂의 전자 구조는 철 기반 및 니켈 기반 122 화합물과 비교해 경쟁하는 상의 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 냉각 시 BaNi₂As₂는 T₀ = 130 K에서, 난방 시는 137 K에서 일阶 전이를 나타내며, 7 K의 열역학적 히스테리시스를 보여 강한 일阶 특성을 나타낸다.
• 홀 계수는 음수이며 온도에 따라 약간 감소하며, 2 K에서 -4×10⁻¹⁰ Ω·cm/Oe의 값을 가지며, 전자성 운반자임을 시사한다.
• 부피 초전도성은 Tc = 0.7 K에서 관찰되며, 저항도가 0으로 떨어지고, ac-자화율이 반자성 반응을 보이며, 열용량이 급격히 증가함으로써 확인된다.
• Tc에서의 소머펠트 계수는 11.6 ± 0.9 mJ/mol·K²이며, 무거운 페르미온 유사 행동과 일치하며, 디바이 온도는 206 K이다.
• 상한 임계장은 이방성이 있으며, 초기 기울기 dHc2ᶜ/dT = -0.186 T/K 및 dHc2ᵃᵇ/dT = -0.396 T/K로 측정되어 이방성은 2.1이다.
• 영온도에서의 상한 임계장은 Hc2(0) = 0.09 T (H||c) 및 0.19 T (H||ab)로 추정되며, 이에 따라 협동 길이는 ξᶜ = 610 Å 및 ξᵃᵇ = 420 Å로 산출된다.