[논문 리뷰] Structural collapse and 45 K superconductivity in electron-doped CaFe2As2

Sujoy Saha, N. P. Butch외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 24.

Iron-based superconductors research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 Ca 위치에 이종가치 뿌리 원소(R = La, Ce, Pr, Nd) 치환을 통해 전자 도핑된 CaFe2As2에서 45 K 초전도성을 입증한다. 이는 테트라곤할 단위세포의 구조적 붕괴를 유도하고 반자성 질서를 억제한다. 초전도 전이 온도는 122철계 초전도체 가문에서 이전까지 기록된 바가 없는 최고 수준을 초월하며, 제어된 격자 비틀림과 전자 도핑이 고Tc 초전도성을 안정화시키는 데서 중요한 역할을 한다고 강조한다.

ABSTRACT

The interplay between structural, magnetic and superconducting properties in the newly discovered iron-based superconducting compounds has been a central theme in attempts to elucidate the nature of Cooper pairing in this new family of high-temperature superconductors [1, 2]. In particular, manipulation of the electronic structure via chemical substitution or applied pressure is thought to play a key role in both the disruption of antiferromagnetic order and the stabilization of superconductivity with transition temperatures as high as 55 K in oxygen and fluorine-based iron-pnictide materials [3–6]. Here we present the stunning observation of 45 K superconductivity in electron-doped CaFe2As2, presenting the highest Tc in the intermetallic class of iron-based superconductors. The use of aliovalent rare earth substitution into the alkaline earth site allows us to tune both the lattice density and charge doping in this system, resulting in a controllably induced structural collapse of the tetragonal unit cell by choice of substituent ion size. Remarkably, the superconductivity appears to persist independent of the presence of a structural collapse, despite an abrupt change in electronic structure at the onset of interlayer bonding. With well over 700 compounds known to take on the ThCr2Si2-type (122) crystal structure [7], this configuration forms the basis for a rich variety of physical phenomena that stem from the fact that this structure not only supports a wide assortment of elemental combinations, but also harbors different mixtures of ionic, covalent and metallic bonding. The interesting chemistry of the AB2X2 configuration was highlighted in 1985 by R. Hoffman [8], who pointed out that a segregation of this large family of materials occurs due to the presence or absence of interlayer X-X bonding, which results in, respectively, either a ”collapsed” or “uncollapsed” tetragonal structure. Despite a ∼ 20% change in unit cell volume in traversing through Ba, Sr, and Ca-based series of AFe2As2 structures [9], this series of 122 materials remains in the uncollapsed structure geometry at ambient pressures. However, when a modest external pressure is applied to the smallest-volume member of the series, CaFe2As2, a structural collapse is indeed observed, with the tetragonal unit cell shrinking by ∼ 10% along its caxis.[10, 11] To stabilize the collapsed phase at ambient pressures, we have employed rare earth substitution into CaFe2As2. The close match between ionic radii of the lighter rare earths such as La, Ce, Pr and Nd (130, 128.3, 126.6 and 124.9 pm, respectively [12]) with that of Ca (126 pm) in the 8-coordinate geometry allows us to selectively tune the structural parameters with both larger and smaller relative radii, while electron-doping via aliovalent substitution of trivalent R 3+ ions for divalent Ca 2+ . This substitution acts to suppress antiferromagnetic (AFM) order and selectively induce a structural collapse depending on the choice of rare earth. More surprisingly, rare earth substitution into CaFe2As2 induces superconductivity with transition temperatures exceeding previous values found in any 122 material.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체에서 구조적, 자성, 초전도적 상 간의 상호작용을 탐구한다.
• 일반적으로 고압에서만 존재하는, 상온에서 안정된 구조적 붕괴 테트라곤할 상을 CaFe2As2에서 안정화한다.
• 이종가치 뿌리 원소 치환을 통한 전자 도핑이 초전도 전이 온도(Tc)와 구조적 진화에 미치는 영향을 조사한다.
• 구조적 붕괴로 인한 전자 구조의 급격한 변화가 있음에도 불구하고 초전도성이 유지되는지 확인한다.

제안 방법

• CaFe2As2에서 2가 Ca를 3가 R(R = La, Ce, Pr, Nd) 이종가치 뿌리 이온으로 치환하여 전자 도핑을 유도하고 격자 매개변수를 조절한다.
• 이온 반지름 일치 원칙(124.9–130 pm의 R3+ 대비 Ca2+의 126 pm)을 활용하여 구조적 비틀림을 선택적으로 제어하고 테트라곤할 단위세포 내에서 구조적 붕괴를 유도한다.
• 외부 압력과 화학 치환을 적용하여, 일반적으로 불안정한 상온에서의 구조적 붕괴 상을 안정화한다.
• 자기적 및 전기적 운반 특성 측정을 통해 초전도 전이와 반자성 정렬 억제를 식별한다.
• X선 또는 중성자 회절을 통한 결정 구조 변화 분석을 통해 단위세포 부피 감소와 c축 붕괴를 확인한다.
• 특히 c축 수축과 초전도 Tc 및 자성 질서 억제 간의 상관관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R3+ 치환을 통한 뿌리 원소 도핑으로 인해 CaFe2As2의 구조적 붕괴 테트라곤할 상이 상온에서 안정화될 수 있는가?
• RQ2 R3+ 치환을 통한 전자 도핑이 CaFe2As2에서 반자성 질서 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 구조적 붕괴로 인해 계면 As–As 결합이 형성되는 상황에서도 초전도성이 유지되는가?
• RQ4 이 도핑 전략을 통해 122가문의 철기반 초전도체에서 도달 가능한 최대 초전도 전이 온도는 얼마인가?

주요 결과

• CaFe2As2에 이종가치 뿌리 원소 치환(R = La, Ce, Pr, Nd)을 통한 전자 도핑이 성공적으로 상온에서의 구조적 붕괴 테트라곤할 상을 안정화시켰다.
• 뿌리 원소 도핑에 의해 CaFe2As2에서 c축 약 10%의 구조적 붕괴가 유도되었으며, 이는 계면 As–As 결합 형성과 함께 일어났다.
• 초전도성이 나타나며 전이 온도(Tc)가 45 K에 도달하였으며, 이는 이종합 122철기반 초전도체 가문에서 보고된 바 중 최고 수준이다.
• 구조적 붕괴 과정에서 계면 결합 형성의 시작 시 전자 구조의 급격한 변화가 있음에도 불구하고 초전도 전이가 유지되었다.
• 반자성 질서 억제는 전자 도핑 정도와 구조적 비틀림 정도와 직접적인 상관관계를 보였다.
• 122구조 가문은 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합의 조절 가능성을 지녀 다양한 물리 현상을 수용할 수 있으며, 뿌리 원소 도핑을 통해 이전에는 접근 불가능했던 구조적 붕괴 상에 도달할 수 있게 되었다.