[논문 리뷰] Robust nodal superconductivity induced by isovalent doping in Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

Xiaoqing Qiu, Shaojie Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 12.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초저온 열전도도 측정을 통해 이소발렌 Ru 및 P 도핑된 철 페니스카이드 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂와 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂에서 강력한 귀금속 초전도성을 입증한다. 최적 도핑 및 부족 도핑된 샘플 모두에서 열전도도의 잔류 선형항(κ₀/T)과 √H의 자기장 의존성 관측은 초전도 갭 내 선형 노드의 강력한 증거를 제공하며, 이는 인산염 높이(hPn)의 변화에도 불구하고 넓은 도핑 범위에서 귀금속 쌍결합이 안정됨을 시사한다.

ABSTRACT

We present the ultra-low-temperature heat transport study of iron-based superconductors Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$. For optimally doped Ba(Fe$_{0.64}$Ru$_{0.36}$)$_2$As$_2$, a large residual linear term $κ_0/T$ at zero field and a $\sqrt{H}$ dependence of $κ_0(H)/T$ are observed, which provide strong evidences for nodes in the superconducting gap. This result demonstrates that the isovalent Ru doping can also induce nodal superconductivity, as P does in BaFe$_2$(As$_{0.67}$P$_{0.33}$)$_2$. Furthermore, in underdoped Ba(Fe$_{0.77}$Ru$_{0.23}$)$_2$As$_2$ and heavily underdoped BaFe$_2$(As$_{0.82}$P$_{0.18}$)$_2$, $κ_0/T$ manifests similar nodal behavior, which shows the robustness of nodal superconductivity in the underdoped regime and puts constraint on theoretical models.

연구 동기 및 목표

• 50 mK까지의 초저온 열전도도 측정을 통해 이소발렌 Ru 및 P 도핑된 BaFe₂As₂ 화합물의 초전도 갭 구조를 조사하기 위해.
• Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂ 및 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂의 부족 도핑 영역에서 귀금속 초전도성이 유지되는지, 특히 제안된 인산염 높이 임계값(hPn ≈ 1.33 Å) 근처에서 확인하기 위해.
• 철 페니스카이드에서 귀금속 초전도성이 hPn에 의해만 조절된다는 가설을 검증하기 위해, 다양한 도핑 수준에서의 열전도도 반응을 비교하기 위해.
• ARPES 및 거시적 성질 데이터와의 대조를 통해 이소발렌 도핑된 철 페니스카이드에서 귀금속 초전도성의 기원을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 초저온 평면 열전도도(κ) 측정은 50 mK까지의 딜루션 냉각기에 장착된 표준 사면전류 안정상태 방법을 사용하였다.
• 자기장을 c축 방향으로 적용하여 잔류 선형항(κ₀/T)의 자기장 의존성을 조사하였으며, 균일한 자기장 분포를 확보하기 위해 Tc 이상에서 자기장 스윕을 수행하였다.
• 영자기장에서의 잔류 선형항 κ₀/T 및 저자기장에서의 √H 의존성은 초전도 갭 내 선형 노드의 주요 지표로 사용되었다.
• 샘플은 직사각형 형태(az-면에서 1.5 × 0.7 mm², c축에서 40–80 μm)로 분할하였으며, 에너지 분산형 X선 분석을 통해 Ru 및 P 도핑 농도를 결정하였다.
• 저항도 측정을 통해 Tc 값을 결정하였으며, 전이 온도에 따라 샘플은 OP20K(Tc = 20 K), UD17K(Tc = 17 K), UD4K(Tc = 4 K)로 명명되었다.
• 정상 상태 열전도도를 추정하고 관측된 κ₀/T가 초전도 상태의 본질적 특성임을 검증하기 위해 Wiedemann-Franz 법칙(L₀/ρ₀)과 이론적 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂에서 이소발렌 Ru 도핑이 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂에서의 P 도핑과 유사하게 귀금속 초전도성을 유도하는가?
• RQ2 Ru 및 P 도핑된 BaFe₂As₂ 화합물의 부족 도핑 영역에서 초전도 갭 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 철 페니스카이드에서 귀금속 초전도 상태와 노드 없는 초전도 상태 간의 전이에 있어 인산염 높이(hPn)가 유일한 조절 매개변수인가?
• RQ4 열전도도 측정은 ARPES 결과 간의 모순, 즉 초전도 갭 내 노드의 위치와 성격에 대해 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 최적 도핑된 Ba(Fe₀.₆₄Ru₀.₃₆)₂As₂(OP20K)에서 영자기장에서의 유한한 잔류 선형항(κ₀/T)이 관측되어 초전도 갭 내 선형 노드의 강력한 증거를 제공한다.
• OP20K에서 κ₀(H)/T의 √H 자기장 의존성은, 피어미 표면 루프를 따라 노드를 가진 갭에 대해 예상되는 바와 일치하여 선형 노드의 존재를 확인한다.
• 부족 도핑된 Ba(Fe₀.₇₇Ru₀.₂₃)₂As₂(UD17K) 및 극도로 부족 도핑된 BaFe₂(As₀.₈₂P₀.₁₈)₂(UD4K)에서도 강력한 귀금속 초전도성이 관측되었으며, 저자기장에서 κ₀/T가 유한하게 유지되었다.
• hPn 값이 각각 1.333 Å(UD17K) 및 1.317 Å(UD4K)로 제안된 임계값 1.33 Å를 略로 초과하고 있음에도 불구하고 귀금속 행동이 유지되며, 이는 hPn이 유일한 조절 매개변수가 아님을 시사한다.
• 최적 도핑에서 극도로 부족 도핑된 영역에 이르기까지 넓은 도핑 범위에서 귀금속 초전도성이 유지되는 것은, Ru 및 P 도핑된 철 페니스카이드에서 귀금속 쌍결합의 공통된 기원을 시사한다.
• 결과는 이론 모델을 제약하며, hPn에 의해 단순히 귀금속 상태에서 노드 없는 상태로의 전이가 일어나는 것을 배제하며, 피어미 표면 기하학 또는 국소 전자 상호작용 등 추가적인 요소들이 관여되어 있음을 암시한다.