[论文解读] Decoupling of the superconducting and magnetic (structural) phase transitions in electron-doped BaFe2As2

P. C. Canfield, S. L. Bud’ko+3 more|ArXiv.org|Apr 20, 2009

Iron-based superconductors research被引用 12

一句话总结

本研究表明，在电子掺杂的BaFe2As2中，结构/反铁磁相变的抑制是超导性的必要条件，但并非充分条件。通过调节掺杂剂（Co、Ni、Cu），使上临界转变温度的抑制（由掺杂浓度/晶格c轴决定）与超导穹顶（由电子数/a/c比决定）分离，作者发现即使磁性序完全被抑制，超导性也仅在电子掺杂的狭窄窗口内出现。

ABSTRACT

Study and comparison of over 30 examples of electron doped BaFe2As2 for transition metal (TM) = Co, Ni, Cu, and (Co/Cu mixtures) have lead to an understanding that the suppression of the structural/antiferromagnetic phase transition to low enough temperature in these compounds is a necessary condition for superconductivity, but not a sufficient one. Whereas the structural/antiferromagnetic transitions are suppressed by the number of TM dopant ions (or changes in the c-axis) the superconducting dome exists over a limited range of values of the number of electrons added by doping (or values of the {a/c} ratio). By choosing which combination of dopants are used we can change the relative positions of the upper phase lines and the superconducting dome, even to the extreme limit of suppressing the upper structural and magnetic phase transitions without the stabilization of low temperature superconducting dome.

研究动机与目标

• 研究电子掺杂BaFe2As2中结构/反铁磁相变与超导性之间的关系。
• 确定上临界转变的抑制是否足以稳定超导性，或是否需要额外条件。
• 探讨不同过渡金属掺杂剂（Co、Ni、Cu）对相边界和超导穹顶的影响。
• 识别控制超导性起始的关键物理参数——电子数或晶格畸变。
• 通过可控的掺杂剂组合，证明上临界转变抑制与超导穹顶之间的解耦。

提出的方法

• 采用助熔法合成Ba(Fe1−xTMx)2As2单晶，其中TM = Co、Ni、Cu，以及Co/Cu混合物。
• 利用电子探针微区分析仪上的WDS分析测定实际掺杂水平，以确定xWDS。
• 收集粉末X射线衍射数据，并使用UNITCELL软件包提取晶格参数。
• 在Quantum Design PPMS系统中采用四探针配置进行电阻率测量。
• 对电阻率数据进行归一化处理，以校正沿c轴方向的剥落引起的测量伪影。
• 通过a/c比作为电子掺杂的代理参数，将相变温度与掺杂浓度(x)、c轴变化及电子数(e)相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子掺杂的BaFe2As2中，结构/反铁磁相变的抑制是否足以稳定超导性？
• RQ2 控制上临界转变抑制的物理参数是掺杂浓度还是电子数？
• RQ3 超导穹顶如何与所添加电子数及晶格畸变（c轴或a/c比）相关联？
• RQ4 是否可通过选择掺杂剂独立调节上临界转变与超导穹顶的相对位置？
• RQ5 为何当电子过多时，即使磁性序完全被抑制，超导穹顶仍会消失？

主要发现

• 在电子掺杂的BaFe2As2中，结构/反铁磁相变的抑制是超导性的必要条件，但并非充分条件。
• 上临界转变温度取决于掺杂原子数(x)或c轴的变化，而非电子数。
• 超导穹顶由一个狭窄的电子掺杂范围定义，最大Tc出现在最优电子数（e ≈ 1.5–2.0每化学式单元）。
• 在Ba(Fe1−xCux)2As2中，过量电子掺杂（如x > 0.2）会抑制上临界转变，但完全错过超导窗口。
• a/c比与电子数(e)具有强相关性，使其成为3d过渡金属掺杂体系中电子掺杂的可靠实验代理参数。
• 通过使用Co/Cu混合物，可实现上临界转变抑制与超导穹顶的解耦，从而构建出上临界转变被抑制但无超导性的体系。