[논문 리뷰] Thermal expansion and anisotropic pressure derivatives of T_c in Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 single crystals

S. L. Bud’ko, Ni Ni외 3명|ArXiv.org|2009. 01. 13.

Iron-based superconductors research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂ 단일 결정에서 비등방성 열팽창과 열용량을 측정하여 Ehrenfest 관계를 통해 축방향 압력 유도도를 결정함으로써 T_c의 축방향 압력 유도도를 규명한다. Co 도핑된 시료에서 면내 및 c축의 T_c 압력 유도도의 부호가 반대임을 규명하여, 도핑 농도에 따라 반전되는 강한 비등방성과, 정방형 및 테트라고날 상에서 전자적 반응이 다름을 시사한다.

ABSTRACT

Heat capacity and anisotropic thermal expansion was measured for Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 (x = 0, 0.038, 0.074) single crystals. Thermal expansion is anisotropic and, in tetragonal phase, is significantly higher along the c-axis. Previously reported phase transitions, including possibly split structural and magnetic for x = 0.038 are clearly seen in both measurements. Uniaxial pressure derivatives of the superconducting transition temperature inferred from the Ehrenfest relation have opposite signs for in-plane and c-axis pressures for both Ba(Fe_{0.962}Co_{0.038})_2As_2 and Ba(Fe_{0.926}Co_{0.074})_2As_2, with the opposite sign of this anisotropy.

연구 동기 및 목표

• Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂ 단일 결정의 비등방성 열팽창 및 상전이 특성을 다양한 도핑 농도에서 연구하기 위해.
• 열용량 및 열팽창 데이터로부터 Ehrenfest 관계를 적용하여 T_c의 축방향 압력 유도도를 결정하기 위해.
• 구조적 및 전자적 비등방성이 축방향 변형 하에서 초전도 전이 온도 T_c에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• Co 도핑된 철계 산화물에서 결정 대칭성(정방형 대비 테트라고날)과 자성/구조 전이, 초전도성 간의 관계를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂ (x = 0, 0.038, 0.074) 단일 결정은 자기융해법으로 성장되었으며, WDS 및 라우 광선 회절을 통해 특성화되었다.
• 열용량 측정은 PPMS-14 장치에서 하이브리드 단열 방식의 회복 기반 기술을 사용하여 수행되었다.
• 열팽창 측정은 OFHC-Cu로 제작된 용량식 열팽창계를 사용하여 a축 및 c축 방향의 변형을 모니터링하였다.
• 열팽창계 데이터로부터 비등방성 열팽창 계수(αₐ, α_c, β) 및 상대적 변화(Δa/a₀, Δc/c₀, ΔV/V₀)를 추출하였다.
• Ehrenfest 관계를 열용량 및 열팽창 데이터에 적용하여 T_c의 축방향 압력 유도도(dT_c/dp_a 및 dT_c/dp_c)를 유추하였다.
• 결과는 이전의 수소압력 하에서의 저항 측정 및 중성자 회절 데이터와의 일관성을 확인하기 위해 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂의 열팽창은 다양한 도핑 농도에서 a축 및 c축 방향으로 어떻게 비등방적으로 변화하는가?
• RQ2 x = 0.038에서 관측된 열팽창 및 열용량의 두 개의 이질점은 무엇을 의미하며, 구조 전이 및 자성 전이와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 Co 도핑된 Ba122에서 면내 및 c축 변형에 따른 T_c의 축방향 압력 유도도는 어떻게 다를까?
• RQ4 x = 0.038과 x = 0.074 사이에서 T_c의 축방향 압력 유도도의 부호가 반전되는 이유는 무엇이며, 이는 전자 구조의 비등방성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 결정 대칭성(정방형 대비 테트라고날)은 T_c가 축방향 변형에 어떻게 반응하는가에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 열팽창은 비등방적이며, 테트라고날 상에서 실온에서 α_c ≈ 3α_a로 나타나 c축의 격자 반응이 더 강함을 시사한다.
• Ba(Fe₀.₉₆₂Co₀.₀₃₈)₂As₂에서 축방향 압력 유도도는 dT_c/dp_a < 0 및 dT_c/dp_c > 0로 나타나 면내 압력에 의해 T_c가 감소하고 c축 압력에 의해 증가함을 의미한다.
• Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂에서 축방향 압력 유도도는 반전되어 dT_c/dp_a > 0 및 dT_c/dp_c < 0로 나타나 x = 0.038 시료와는 반대되는 비등방성을 보인다.
• 두 시료 간의 축방향 압력 유도도의 부호가 반대임을 통해 도핑 농도 변화에 따라 전자적 반응이 반전됨을 확인하였으며, 이는 저온에서의 결정 대칭성 변화와 관련이 있다.
• Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂의 초전도 전이에서는 Δα_a 및 Δα_c의 부호가 반대임을 확인하여 비등방성 격자 연성화가 발생함을 뒷받침한다.
• 축방향 데이터로부터 추론된 수소압력 유도도는 직접적인 수소압력 하에서의 저항 측정 결과와 일치하지 않으며, 부드러운 비등방성 결정에서의 측정 오차 및 포isson 응력 효과로 인한 것으로 보인다.