[论文解读] Abnormal T-linear susceptibility and Phase diagram of BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals

X. F. Wang, Tzong‐Ming Wu+5 more|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过输运、磁化率和比热测量，系统研究了BaFe₂₋ₓCoₓAs₂单晶中的电子相变。研究揭示了钴掺杂引起的非费米液体到费米液体的交叉行为，700 K以下出现异常的T线性磁化率，表明存在强烈的反铁磁涨落，且在x ≈ 0.17–0.20掺杂范围内，自旋密度波（SDW）序与超导共存，超导转变温度呈现穹顶形依赖关系，并建立了x ≤ 0.40范围内的详细电子相图。

ABSTRACT

We study systematically transport, susceptibility and heat capacity for BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ single crystals. In the underdoped region, spin density wave (SDW) transition is observed in both resistivity and susceptibility. The magnetic susceptibility shows unusual T-linear dependence above SDW transition up to 700 K. With Co doping, SDW ordering is gradually suppressed and superconductivity emerges with a dome-like shape. Electrical transport, specific heat and magnetic susceptibility indicate that SDW and superconductivity coexist in the sample BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ around x = 0.17, being similar with (Ba,K)Fe$_2$As$_2$. When x$>$0.34, the superconductivity completely disappears. A crossover from non-Fermi-liquid state to Fermi-liquid state is observed with increasing Co doping. A detailed electronic phase diagram about evolution from SDW to superconducting state is given.

研究动机与目标

• 理解钴掺杂BaFe₂As₂单晶中电子相的演化。
• 研究欠掺杂区域中自旋密度波（SDW）序与超导性的相互作用。
• 确定SDW与超导性共存的条件。
• 绘制随钴掺杂变化的从SDW到超导态的电子相图。
• 通过输运和磁化率测量，研究从非费米液体到费米液体行为的交叉转变。

提出的方法

• 采用FeAs作为助熔剂，通过自蔓延法生长BaFe₂₋ₓCoₓAs₂单晶，以最大限度减少污染。
• X射线衍射证实了高质量的c轴取向单晶，且c晶格参数随钴掺杂线性减小。
• 采用交流四探针法测量电输运性质；霍尔效应通过交流四端子技术测量。
• 采用SQUID磁力计测量磁化率；在物理性质测量系统（PPMS）中测量面内磁阻。
• 通过测量比热以检测相变，利用外加磁场下的数据分离出超导贡献。
• 基于电阻率异常（Tₛ）、超导转变温度（T_c）和磁化率数据构建相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 钴掺杂如何影响BaFe₂₋ₓCoₓAs₂中自旋密度波（SDW）序向超导性的转变？
• RQ2 在SDW转变温度以上，磁化率的性质如何，特别是为何观测到高达700 K的T线性依赖关系？
• RQ3 在欠掺杂区域，超导性是否与SDW序共存？若共存，其掺杂范围为何？
• RQ4 随着钴掺杂浓度的增加，电子态如何从非费米液体行为演化为费米液体行为？
• RQ5 在0 ≤ x ≤ 0.40的掺杂范围内，BaFe₂₋ₓCoₓAs₂的详细电子相图是怎样的？

主要发现

• 磁化率在SDW转变温度以上表现出异常的T线性依赖关系，高达700 K，表明存在强烈的反铁磁涨落。
• 钴掺杂抑制了SDW序并诱导出超导性，其超导转变温度呈现穹顶形依赖关系，在x = 0.20时达到峰值25 K。
• 通过电阻率、比热和磁阻率测量，证实了在x ≈ 0.17–0.20范围内SDW与超导性的共存。
• 对于x = 0.17的样品，比热数据在Tₛ ≈ 135 K（SDW）处显示明显的跃变，在T_c ≈ 20 K（超导性）处出现明显的峰值，且在14 T磁场下得到验证。
• 观察到从非费米液体到费米液体行为的交叉转变：在欠掺杂样品中，电阻率幂律关系R = A + BTⁿ中的n ≈ 1，随钴掺杂增加，过渡到n ≈ 2的过掺杂区域。
• 当x > 0.34时，超导性完全消失，磁化率从T线性行为转变为居里-外斯型行为，表明强磁涨落的消失。