[论文解读] Determination of the phase diagram of the electron doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$

Jiun‐Haw Chu, James G. Analytis+2 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Nov 15, 2008

Iron-based superconductors research被引用 24

一句话总结

本研究通过单晶的电阻率、比热、磁化率和霍尔测量，绘制了电子掺杂Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂的相图。结果表明，BaFe₂As₂中的单一磁性/结构相变在钴掺杂后分裂为两个独立的相变，且随着x增加，两者均被抑制；在x ≈ 0.06时出现最优超导转变温度（Tc ≈ 25 K），此时这两个相变完全消失，表明该体系中的高温超导可能源于量子临界点。

ABSTRACT

Systematic measurements of the resistivity, heat capacity, susceptibility and Hall coefficient are presented for single crystal samples of the electron-doped superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$. These data delineate an $x-T$ phase diagram in which the single magnetic/structural phase transition that is observed for undoped BaFe$_2$As$_2$ at 134 K apparently splits into two distinct phase transitions, both of which are rapidly suppressed with increasing Co concentration. Superconductivity emerges for Co concentrations above $x \sim 0.025$, and appears to coexist with the broken symmetry state for an appreciable range of doping, up to $x \sim 0.06$. The optimal superconducting transition temperature appears to coincide with the Co concentration at which the magnetic/structural phase transitions are totally suppressed, at least within the resolution provided by the finite step size between crystals prepared with different doping levels. Superconductivity is observed for a further range of Co concentrations, before being completely suppressed for $x \sim 0.018$ and above. The form of this $x-T$ phase diagram is suggestive of an association between superconductivity and a quantum critical point arising from suppression of the magnetic and/or structural phase transitions.

研究动机与目标

• 确定电子掺杂Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂的完整x-T相图。
• 研究电子掺杂铁砷化物中结构/磁性相变与超导性的相互作用。
• 评估超导性是否在磁性与结构有序被抑制的量子临界点附近出现。
• 比较Co掺杂与K掺杂在抑制磁性有序和诱导超导性方面的有效性。
• 排除欠掺杂样品中存在超导性与破对称态共存的相分离起源。

提出的方法

• 采用自 flux 法生长了Co浓度可控的Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂单晶。
• 通过电子探针微区分析（EMPA）精确测量Co浓度，各样品的标准偏差为±0.15%。
• 测量了电阻率、比热、磁化率和霍尔系数随温度和Co浓度（x）的变化。
• 磁性测量在零场冷却和场冷却条件下进行，并通过粉末化处理以评估屏蔽电流的贡献。
• 通过电阻率、比热和磁化率数据中的突变点识别相变。
• 通过关联所有测量量随温度和Co浓度的变化关系构建相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 Co掺杂如何影响BaFe₂As₂中的结构和磁性相变？
• RQ2 在何种Co浓度（x）下超导性出现，其最大Tc位于何处？
• RQ3 超导性与破对称态的共存是源于相分离还是本征电子相共存？
• RQ4 磁性与结构相变的抑制是否与最优超导转变温度相关？
• RQ5 是否存在磁有序与超导性边界处的量子临界点的证据？

主要发现

• BaFe₂As₂中134 K处的单一磁性/结构相变随Co浓度增加分裂为两个独立相变，且两者均迅速被抑制。
• 两个相变的临界温度随x单调下降，并在x ≈ 0.06时完全消失，此时Tc达到最大值。
• 当x > 0.025时出现超导性，且在x ≈ 0.06时达到最大Tc ≈ 25 K，与磁性及结构相变的完全抑制同时发生。
• 超导穹形区域从x ≈ 0.025延伸至x ≈ 0.18，表明最佳掺杂范围较窄。
• 欠掺杂超导态（x ≈ 0.025–0.06）表现出显著的屏蔽电流，但经粉末化处理后显著减弱，表明超导序脆弱或存在本征非均匀性。
• 相图强烈表明，该体系中的超导性由与磁性及/或结构有序抑制相关的量子临界点驱动。