[논문 리뷰] Upper critical field, Hall effect and magnetoresistance in the iron-based layered superconductor LaO$_{0.9}$F$_{0.1-\delta}$FeAs

Xiyu Zhu, Huan Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2008. 03. 09.

Iron-based superconductors research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 저항도, 홀 효과 및 자화저항 측정을 통해 리튬 산화물-플루오르화물 기반 초전도체 LaO$_{0.9}$F$_{0.1-\delta}$FeAs의 전자적 및 자성 성질을 조사한다. 상전이 온도 230 K 근처에서의 이례적인 온도 의존적 거동, 상한 임계장 Hc2(0) ≈ 50 T, 전자 지배 도핑에 기인한 음성 홀 계수(100 K에서 n ≈ 9.8×10²⁰ cm⁻³)를 보고한다. 이는 표준 페르미 액체 모형에 포함되지 않은 이례적인 산란 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

By using a two-step method, we successfully synthesized the iron based new superconductor LaFeAsO_{0.9}F_{0.1-\delta}$. The resistive transition curves under different magnetic fields were measured, leading to the determination of the upper critical field Hc2(T) of this new superconductor. The value of Hc2 at zero temperature is estimated to be about 50 Tesla roughly. In addition, the Hall effect and magnetoresistance were measured in wide temperature region. A negative Hall coefficient R_H has been found, implying a dominant conduction mainly by electron-like charge carriers in this material. The charge carrier density determined at 100 K is about 9.8E20cm^{-3}, which is close to the cuprate superconductors. It is further found that the magnetoresistance does not follow Kohler's law. Meanwhile, the different temperature dependence behaviors of resistivity, Hall coefficient, and magnetoresistance have anomalous properties at about 230 K, which may be induced by some exotic scattering mechanism.

연구 동기 및 목표

• 두 단계 방법을 사용하여 철 기반 초전도체 LaO₀.₉F₀.₁₋δFeAs를 합성하고 특성화한다.
• 다양한 자기장 하에서 저항 전이 데이터를 기반으로 상한 임계장 Hc2(T)를 결정하고 Hc2(0)를 추정한다.
• 정상 상태에서 주요 전하 운반자와 운반자 농도를 규명하기 위해 홀 효과를 조사한다.
• 자화저항 거동을 분석하고 코플러의 규칙 준수 여부를 평가한다.
• 230 K 근처에서의 이례적인 전자적 전이를 식별하고, 저항도, 홀 계수 및 자화저항의 관점에서 그 기원을 탐구한다.

제안 방법

• 고품질의 LaO₀.₉F₀.₁₋δFeAs 단일 결정을 제조하기 위해 두 단계 고체상 합성 방법을 사용하였다.
• 다양한 자기장 하에서 저항도를 측정하여 Hc2(T)를 추출하고 Hc2(0)를 외삽하였다.
• 넓은 온도 범위에서 홀 효과 측정을 수행하여 홀 계수 R_H와 운반자 농도를 결정하였다.
• 자화저항 데이터를 분석하여 코플러의 척도 법칙 준수 여부를 테스트하였다.
• 저항도, 홀 계수 및 자화저항의 온도 의존성을 비교하여 이질성을 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaO₀.₉F₀.₁₋δFeAs에서 상한 임계장 Hc2(0)의 값은 얼마이며, 온도와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 홀 계수의 부호와 크기는 무엇이며, 이는 주요 전하 운반자에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 자화저항은 코플러의 규칙을 따르는가? 이는 산란 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 저항도, 홀 계수 또는 자화저항의 온도 의존성에 이상 징후가 있는가? 만약 있다면, 어디서 발생하는가?
• RQ5 230 K 근처에서 관측된 이례적 거동을 설명할 수 있는 물리적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 0 K로 외삽한 상한 임계장 Hc2는 약 50 테슬라이다.
• 음성 홀 계수 R_H가 관측되어 전자성 전하 운반자가 도핑에 의해 지배적임을 나타낸다.
• 100 K에서의 전하 운반자 농도는 약 9.8×10²⁰ cm⁻³로 코팅산 초전도체와 유사하다.
• 자화저항은 코플러의 척도 법칙을 따르지 않아 비보편적인 산란 거동을 시사한다.
• 230 K 근처에서 저항도, 홀 계수 및 자화저항 모두에서 뚜렷한 이례적인 온도 의존성이 관측되었다.
• 230 K 근처의 이질성은 표준 페르미 액체 모형에 포함되지 않은 이색적인 산란 메커니즘이 기인할 수 있다.