[논문 리뷰] Low temperature specific heat of the hole-doped Ba_{0.6}K_{0.4}Fe_2As_2 single crystals and electron-doped SmFeAsO_{0.9}F_{0.1} samples

Gang Mu, Huiqian Luo외 5명|arXiv (Cornell University)|2008. 12. 05.

Iron-based superconductors research인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 홀드롭 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ 단일 결정과 전자드롭 SmFeAsO₀.₉F₀.₁ 다결정에서 저온에서의 비열 측정을 보고하며, Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서 Tc에서의 급격한 비열이상 ΔC/T|Tc = 98 mJ/mol·K²로 나타나며, 이는 SmFeAsO₀.₉F₀.₁에서의 6–8 mJ/mol·K²보다 10배 이상 큰 것으로, 정상 상태에서의 준입자 밀도 상태가 훨씬 높음을 시사한다. Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 전자 비열 계수 γₑ(T)는 온도에 대해 약한 의존성을 보이며 자기장에 따라 선형 증가하는 경향을 보여, 주로 전면 격자 초전도 상태임을 시사하지만, 다중간격 효과는 배제할 수 없다. 이는 FeAs-122와 FeAs-1111 시스템 간의 초전도 성립 메커니즘에 근본적인 차이가 있음을 나타내며, 이는 서로 다른 피에르 표면 구조에 기인한다.

ABSTRACT

Low temperature specific heat (SH) was measured on the FeAs-based superconducting single crystals Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ and high pressure synthesized polycrystalline samples SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$. It is found that the sharp SH anomaly $ΔC/T|_{T_c}$ in Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ reaches an unexpected high value of 98 mJ/mol K$^2$, about one order of magnitude larger than that of SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$ ($6\sim8$ mJ/mol K$^2$) samples, suggesting very high normal state quasiparticle density of states in FeAs-122 than in FeAs-1111. Furthermore, we found that the electronic SH coefficient $γ_e(T)$ of Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ is weakly temperature dependent and increases almost linearly with the magnetic field in low temperature region, which may indicate that the hole-doped FeAs-122 system contains a dominant component with a full superconducting gap, although we cannot rule out the possibility of a small component with anisotropic or nodal gap. A detailed analysis reveals that the $γ_e(T)$ of Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ cannot be fitted with a single gap of s-wave symmetry probably due to the multigap effect. These results indicate clear difference between the properties of the superconducting state of the holed-doped Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ and the F-doped LnFeAsO (Ln = rare earth elements) systems, which we believe is originated from the complex Fermi surface structures in different systems.

연구 동기 및 목표

• 홀드롭 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ 단일 결정과 전자드롭 SmFeAsO₀.₉F₀.₁ 다결정에서의 초전도 간격 대칭성과 준입자 밀도 상태를 조사하기 위해.
• 관측된 비열 이질성이 다결정 SmFeAsO₀.₉F₀.₁ 샘플의 경우 내재된 부피적 성질인지 또는 샘플 품질 문제인지 확인하기 위해.
• FeAs-122 (Ba,K) 및 FeAs-1111 (Sm,Fe,As,O,F) 시스템의 초전도 행동을 비교하여 간격 구조와 정상 상태 준입자 밀도 상태의 차이를 집중적으로 분석하기 위해.
• 피에르 표면 기하학이 쌍성 대칭을 결정하는 데 미치는 역할, 특히 서로 다른 피에르 표면 시트가 초전도성에 기여하는 방식을 평가하기 위해.
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 초전도 간격 성질에 대한 부피적 증거를 제공하여 표면 민감도 기술로 인한 모순된 보고를 해결하기 위해.

제안 방법

• 고품질 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ 단일 결정 (Tc = 36.5 K) 과 고압 합성된 SmFeAsO₀.₉F₀.₁ 다결정에서 저온 비열(SH) 측정을 수행하였다.
• 비열은 온도(T) 및 자기장(H)의 함수로 측정되었으며, 초전도 전이 이질성을 추출하기 위해 C/T vs. T 및 ΔC/T|Tc 분석을 수행하였다.
• 전자 비열 계수 γₑ(T)는 데이터에서 추출되었고, 그 자기장 의존성은 간격 대칭성을 추론하기 위해 분석되었다.
• 정상 상태 준입자 밀도 상태(DOS)는 약한 결합 BCS 이론에 따라 γn ≈ ΔC/T|Tc /1.43를 사용하여 계산된 정상 상태 γn으로 유추되었다.
• 표본 품질과 초전도 전이 온도를 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 및 교류 자화도 측정을 수행하였다.
• 기존의 ARPES, μSR, NMR 및 점접촉 앤드리브 스펙트로스코피 데이터와의 비교를 통해 연구 결과의 맥락을 정리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 홀드롭 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 비열 이질성 ΔC/T|Tc의 크기는 얼마이며, 전자드롭 SmFeAsO₀.₉F₀.₁과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ2 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서 전자 비열 계수 γₑ(T)의 자기장 의존성은 전면 격자 초전도 상태인지 노드가 있는 간격 초전도 상태인지를 어떻게 시사하는가?
• RQ3 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂와 SmFeAsO₀.₉F₀.₁에서의 정상 상태 준입자 밀도 상태(DOS)는 어떻게 비교되며, 이는 피에르 표면 기하학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 FeAs-122와 FeAs-1111 시스템은 유사한 결정 구조를 가지고 있음에도 불구하고 초전도 행동이 어떻게 이렇게 다를 수 있는가?
• RQ5 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서 관측된 γₑ(T) 행동은 단일 s-파 간격 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 다중간격 모델이 필요한가?

주요 결과

• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서 비열 이질성 ΔC/T|Tc는 98 mJ/mol·K²에 도달하며, 이는 SmFeAsO₀.₉F₀.₁에서의 6–8 mJ/mol·K²보다 약 10배 이상 크며, 이는 정상 상태에서 준입자 밀도 상태가 훨씬 높음을 시사한다.
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 정상 상태 전자 비열 계수 γn은 SmFeAsO₀.₉F₀.₁보다 상당히 크며, BCS 관계를 통해 γn ≈ 4–6 mJ/mol·K²로 추정되어 피에르 수준에서의 밀도 상태가 더 높음을 반영한다.
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 전자 비열 계수 γₑ(T)는 온도에 대해 약한 의존성을 보이며, 저온에서 자기장에 따라 선형 증가하는 경향을 보여, 주로 전면 격자 초전도 상태임을 시사한다.
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서의 γₑ(T) 데이터는 단일 s-파 간격 모델로는 적합하게 맞추어지지 않으며, 이는 다중간격 효과가 존재함을 시사하지만, 전면 격자 성분이 지배적임을 나타낸다.
• FeAs-122와 FeAs-1111 시스템 간의 초전도 행동 차이는 서로 다른 피에르 표면 구조에 기인하며, Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂에서는 Γ 점 주변의 외부 피에르 표면 시트가 지배적일 뿐만 아니라, SmFeAsO₀.₉F₀.₁에서는 M점 시트가 지배적임을 나타낸다.
• 결과는 피에르 표면 기하학, 특히 SmFeAsO₀.₉F₀.₁에서 M점 근처에 노드가 존재할 가능성이 있는 강한 운동량 의존성 시트의 존재가 이전 연구에서 관측된 노드 간격 특성과 관련이 있을 수 있음을 시사한다.