[論文レビュー] 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 Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 65

ひとこと要約

本研究は、穴ドープBa₀.₆K₀.₄Fe₂As₂単結晶および電子ドープSmFeAsO₀.₉F₀.₁多結晶における低温比熱測定を報告し、Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ではTcにおける比熱異常ΔC/T|Tc = 98 mJ/mol·K²の鋭いピークを観測した。これはSmFeAsO₀.₉F₀.₁（6–8 mJ/mol·K²）の10倍以上であり、通常状態における準粒子状態密度が著しく高いことを示唆する。Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における電子比熱係数γₑ(T)は温度依存性が弱く、磁場の増加に伴い線形に増加する傾向を示し、主に全ギャップ超伝導状態であることを示唆するが、多ギャップ効果の可能性も排除できない。これは、FeAs-122系とFeAs-1111系における超伝導ペアリングの根本的な違いを示しており、フェルミ面構造の相違に起因する。

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.

研究の動機と目的

• 穴ドープBa₀.₆K₀.₄Fe₂As₂単結晶および電子ドープSmFeAsO₀.₉F₀.₁多結晶における超伝導ギャップ対称性および準粒子状態密度の調査。
• 観測された比熱異常が、多結晶SmFeAsO₀.₉F₀.₁試料において、内在的バルク特性か、試料品質の問題に起因するかを特定すること。
• FeAs-122（Ba,K）系とFeAs-1111（Sm,Fe,As,O,F）系の超伝導挙動を比較し、ギャップ構造および通常状態における準粒子状態密度の違いに注目する。
• フェルミ面トポロジーがペアリング対称性を決定する役割を評価し、特に異なるフェルミ面シートが超伝導に与える寄与を検討する。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における超伝導ギャップの性質をバルクから証明し、表面感受性技術による矛盾する報告を解消すること。

提案手法

• 高品質なBa₀.₆K₀.₄Fe₂As₂単結晶（Tc = 36.5 K）および高圧合成によるSmFeAsO₀.₉F₀.₁多結晶に対して低温比熱（SH）測定を実施した。
• 比熱を温度（T）および磁場（H）の関数として測定し、C/T vs. TおよびΔC/T|Tcを用いて超伝導転移における異常を抽出した。
• データから電子比熱係数γₑ(T)を抽出し、その磁場依存性を分析することでギャップ対称性を推定した。
• 通常状態における準粒子状態密度（DOS）は、弱結合BCS理論に基づきγn ≈ ΔC/T|Tc /1.43を用いて推定した。
• X線回折（XRD）および交流磁化率測定を用いて、試料の品質および超伝導転移温度を確認した。
• 既存のARPES、μSR、NMRおよび点接触アンドレーエブスペクトロスコピーのデータと比較し、本研究の結果を文脈づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴ドープBa₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における比熱異常ΔC/T|Tcの大きさは何か？ また、電子ドープSmFeAsO₀.₉F₀.₁と比較してどう異なるか？
• RQ2 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における電子比熱係数γₑ(T)の磁場依存性は、全ギャップ状態かノードギャップ状態かを示唆するか？
• RQ3 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における通常状態の準粒子状態密度（DOS）は、SmFeAsO₀.₉F₀.₁と比較してどう異なるか？ これはフェルミ面トポロジーにどのような含意をもたらすか？
• RQ4 FeAs-122系とFeAs-1111系は結晶構造が類似しているにもかかわらず、なぜ著しい異なる超伝導挙動を示すのか？
• RQ5 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における観測されたγₑ(T)挙動は、単一s波ギャップモデルで説明可能か？ もし不可能であれば、多ギャップモデルの必要性はどの程度か？

主な発見

• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における比熱異常ΔC/T|Tcは98 mJ/mol·K²に達し、SmFeAsO₀.₉F₀.₁（6–8 mJ/mol·K²）の約10倍にのぼる。これは通常状態における準粒子状態密度が著しく高いことを示唆する。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における通常状態の電子比熱係数γnは、SmFeAsO₀.₉F₀.₁に比べて顕著に大きく、BCS関係式を用いてγn ≈ 4–6 mJ/mol·K²と推定された。これはフェルミエネルギー付近の状態密度が高いことを反映している。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂における電子比熱係数γₑ(T)は温度依存性が弱く、低温域で磁場の増加に伴い線形に増加する傾向を示し、主に全ギャップ超伝導状態であることを示唆する。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂におけるγₑ(T)データは、単一s波ギャップモデルではフィットできない。多ギャップ効果が存在することは示唆されるが、全ギャップ成分が支配的である。
• FeAs-122系とFeAs-1111系における超伝導挙動の差は、フェルミ面構造の相違に起因する。Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ではΓ点回りの外側フェルミ面シートが支配的であり、SmFeAsO₀.₉F₀.₁ではM点回りのシートが支配的である。
• 本結果は、フェルミ面トポロジー、特にSmFeAsO₀.₉F₀.₁におけるM点近傍での強い運動量依存性およびノードの可能性が、過去の研究で観測されたノードギャップ特徴を説明できる可能性を示唆している。