[论文解读] Copper Doping of BaNi$_{2}$As$_{2}$: Giant Phonon Softening and Superconductivity Enhancement

K. Kudo, Masaya Takasuga+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究表明，铜掺杂在BaNi₂As₂中于x ≈ 0.16时诱导了三斜相到四角相的结构相变，引发巨大的声子软化，并将超导转变温度从Tc = 0.6 K提升至2.5–3.2 K。该增强效应源于由晶格软化驱动的强耦合超导性，与磷掺杂BaNi₂As₂中的效应相似，但与铜掺杂铁基类似物中的行为相反。

ABSTRACT

The effects of copper doping on the structural and superconducting phase transitions of Ba(Ni$_{1-x}$Cu$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ were studied by examining the resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat. We found an abrupt increase in the superconducting transition temperature $T_{ m c}$ from 0.6 K in the triclinic phase with less copper ($x$ $\leq$ 0.16) to 2.5-3.2 K in the tetragonal phase with more copper ($x$ $>$ 0.16). The specific-heat data suggested that doping-induced phonon softening was responsible for the enhanced superconductivity in the tetragonal phase. All of these observations exhibited striking similarities to those observed in the phosphorus doping of BaNi$_{2}$(As$_{1-x}$P$_{x}$)$_{2}$ [K. Kudo et al., Phys. Rev. Lett. 109, 097002 (2012).], which markedly contrast the behavior of phosphorus and copper doping of the iron-based superconductor BaFe$_{2}$As$_{2}$.

研究动机与目标

• 研究铜掺杂对BaNi₂As₂中结构相变与超导相变的影响。
• 确定铜掺杂是否如磷掺杂一样抑制三斜相并增强超导性。
• 探讨声子软化与晶格动力学在镍基122体系中增强超导性中的作用。
• 比较铜掺杂在镍基BaNi₂As₂中的行为与在铁基BaFe₂As₂中的影响，后者会抑制Tc。

提出的方法

• 采用控制化学计量比的Ba、Ni、Cu和As混合物，通过助溶剂法生长Ba(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂单晶。
• 利用Quantum Design PPMS和MPMS进行电阻率、磁化率和比热测量，以探测相变与超导性。
• 粉末X射线衍射和能谱分析(EDS)确认了相纯度与精确的铜含量x。
• 从XRD数据中提取晶格常数a、c及体积，分析掺杂引起的结构演化。
• 通过比热数据中C/T与T²的斜率确定德拜温度ΘD，以量化声子软化程度。
• 利用Tc与结构相变温度(Ts)构建电子相图，关联相稳定性与超导响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜掺杂是否抑制BaNi₂As₂中的三斜相变并增强超导性？
• RQ2 声子软化在铜掺杂BaNi₂As₂中增强超导转变温度Tc的过程中起何作用？
• RQ3 随着铜掺杂，费米能级处的电子态密度如何变化？其变化是否与Tc增强相关？
• RQ4 为何铜掺杂在BaNi₂As₂中增强Tc，而在BaFe₂As₂中却抑制Tc，尽管其掺杂化学行为相似？
• RQ5 在高x值下观察到的Ba(Ni₁₋ₓCuₓ)₂As₂中存在偏析间隙的成因是什么？

主要发现

• 超导转变温度Tc从纯BaNi₂As₂中的0.6 K提升至x > 0.16时四角相中的2.5–3.2 K，表明显著增强。
• 三斜相到四角相的结构相变温度从~130 K降至x = 0.156时的40 K，并在x = 0.292时完全消失，表明三斜相被完全抑制。
• 在相界处德拜温度ΘD降低了约40%（从~250 K降至~150 K），表明铜掺杂引发巨大的声子软化。
• 电子比热系数γ在各掺杂水平下基本保持不变，表明费米能级处电子态密度变化极小。
• 在x = 0.485至x = 0.939之间观察到偏析间隙，阻止固溶体形成，并在高掺杂下抑制超导性。
• 铜掺杂引起的结构响应（a增加、c减少、体积膨胀）与磷掺杂（体积收缩）形成鲜明对比，排除了化学压力作为相抑制主因。