[논문 리뷰] Structural and electronic phase diagrams of CeFeAsO1-xFx and SmFeAsO1-xFx

H. Maeter, Jorge Enrique Hamann Borrero외 18명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 25.

Iron-based superconductors research참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 뮤온 스핀 회절, X선 회절 및 보조 스펙트로스코피를 이용하여 CeFeAsO1-xFx와 SmFeAsO1-xFx의 구조적 및 전자적 상도를 매핑한다. 자기 및 구조 전이가 강하게 결합되어 있음을 밝혀내며, 장거리 질서 이전에 국소적 자기 질서가 존재하고, 최적 도핑 조건에서 초전도성과 국소적 자기성의 공존을 확인한다. 다만, 이러한 공존의 성격은 나노스케일 상분리와 미세구조적 공존 사이에서 모호한 상태이다.

ABSTRACT

We have studied the structural and electronic phase diagrams of CeFeAsO1-xFx and SmFeAsO1-xFx by a detailed analysis of muon spin relaxation experiments, synchrotron X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, electrical resistivity, specific heat, and magnetic susceptibility measurements (Full abstract in the main document).

연구 동기 및 목표

• 불화물 도핑된 RFeAsO (R = Ce, Sm) 시스템에서 자기 전이와 초전도 전이에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해.
• 희토수 금속-철 산화물 arsenide의 구조적, 자기적, 초전도적 상 간 상호작용을 명확히 하기 위해.
• 관측된 초전도성과 국소적 자기성의 공존이 전자적 상분리인지 미세구조적 공존인지 판단하기 위해.
• 구조적 및 자기 전이의 넓어짐을 정량화하고, 임계 변동과 불순물이 원인인지를 평가하기 위해.
• 도핑 농도에 따라 직접(μSR, XRD) 및 간접(저항도) 측정을 통해 전이 온도를 비교하기 위해.

제안 방법

• 국소 자기장 탐지 및 국소적 및 장거리 자기 질서 탐지 목적의 뮤온 스핀 회절(μSR) 실험을 수행하였다.
• 구조 전이 측정 및 브라그 피크의 넓어짐 분석을 위한 싱크로트론 X선 회절을 수행하였다.
• 상 전이의 교차 검증을 위해 모스바우어 스펙트로스코피, 전기 저항도, 비열 및 자화율 측정을 수행하였다.
• 자기체적 분율의 거듭제곱 법칙 스케일링과 온도 의존적 질서 파라미터를 포함한 현상학적 모델을 적용하여 넓어진 자기 전이를 기술하였다.
• 초전도 상태에서 자기 침투 깊이를 분석하여 갭 대칭성을 평가하였으며, 단일 노드 없는 s파형 갭과의 일치를 확인하였다.
• F 도핑에 의한 격자 상수 및 이온 불순물 농도 변화와 4f 모멘트 상호작용(RKKY 대 초합성)의 변화를 연관 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeFeAsO1-xFx와 SmFeAsO1-xFx에서 불화물 도핑에 따라 구조적 및 자기 전이가 어떻게 변화하는가?
• RQ2 최적 도핑 조성에서 관측된 초전도성과 국소적 자기 질서의 공존 성격은 무엇인가?
• RQ3 왜 자기 및 구조 전이가 넓은 온도 범위에 걸쳐 넓어지는가? 이러한 넓어짐의 원인은 무엇인가?
• RQ4 임계 변동과 불순물이 자기 및 구조 전이의 넓어짐에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 F 도핑이 희토수 4f 자기 질서에 미치는 영향는 어떠한가? 이를 지배하는 주요 상호작용 메커니즘(RKKY 또는 초합성)은 무엇인가?

주요 결과

• 정방형에서 오르토로브릭으로의 구조 전이가 장거리 자기 전이를 앞서며, 둘 다 불화물 도핑 증가에 따라 억제된다.
• Sm계에서는 장거리 자기 질서가 구조 전이 온도보다 약 10 K 높은 온도까지 유지되어, 별개의 자기 상 창문이 존재함을 시사한다.
• 양측 모두 넓은 온도 범위에서 국소적 자기 질서를 나타내며, SmFeAsO에서 뮤온 스핀 회절을 통해 집합체 내 장거리 질서의 공명 진동이 관측되어, 이는 클러스터 내 장거리 질서를 나타낸다.
• 자기 전이가 넓어지며, 브라그 피크의 넓어짐과 횡방향 회절 속도의 거듭제곱 법칙 행동이 증가하여, 임계 변동과 불순물과의 일관성을 보인다.
• 초전도 샘플에서 자기 침투 깊이는 단일 노드 없는 s파형 갭과 일치하여, 전통적인 쌍화 대칭을 나타낸다.
• 희토수 자기 질서는 F 도핑으로 약화되며, Sm의 질서는 TN이 1–2 K 감소하여 유지되나, Ce의 질서는 x = 0.145에서 약 1 K로 억제되어, 불순물과 피어미 표면 변화로 인한 RKKY 상호작용의 약화를 시사한다.