[论文解读] Evidence for two distinct superconducting phases in EuBiS$_2$F under pressure

Chunyu Guo, Yu Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究在压力下于EuBiS₂F中识别出两个不同的超导相：一种为四角结构（P4/nmm）的低Tc相，另一种为单斜结构（P2₁/m）的高Tc相，Tc从0.3 K增至1.4 GPa下的8.6 K。该转变伴随结构相变并抑制了280 K的电阻异常，表明单斜相更有利于BiS₂基材料中增强的超导性。

ABSTRACT

We present a pressure study of the electrical resistivity, AC magnetic susceptibility and powder x-ray diffraction (XRD) of the newly discovered BiS$_2$-based superconductor EuBiS$_2$F. At ambient pressure, EuBiS$_2$F shows an anomaly in the resistivity at around $T_0\approx 280$ K and a superconducting transition at $T_c\approx 0.3$ K. Upon applying hydrostatic pressure, there is little change in $T_0$ but the amplitude of the resistive anomaly is suppressed, whereas there is a dramatic enhancement of $T_c$ from 0.3 K to about 8.6 K at a critical pressure of $p_c$ $\approx{1.4}$ GPa. XRD measurements confirm that this enhancement of $T_c$ coincides with a structural phase transition from a tetragonal phase ($P4/nmm$) to a monoclinic phase ($P2_1$/m), which is similar to that observed in isostructural LaO$_{0.5}$F$_{0.5}$BiS$_2$. Our results suggest the presence of two different superconducting phases with distinct crystal structures in EuBiS$_2$F, which may be a general property of this family of BiS$_2$-based superconductors.

研究动机与目标

• 研究新发现的BiS₂基超导体EuBiS₂F中压力诱导的超导演化行为。
• 确定Tc在压力下显著增强是否与结构或电子变化相关。
• 阐明被提出为电荷密度波转变的280 K电阻异常在超导行为中的作用。
• 探讨EuBiS₂F中的高Tc相是否为BiS₂基超导体家族中的普遍特征。

提出的方法

• 通过静水压下的电阻率测量追踪Tc和280 K电阻异常的变化。
• 利用交流磁化率测量确认超导转变并确定Tc起始温度。
• 采用粉末X射线衍射（XRD）识别压力下的结构相变。
• 使用立方顶砧压力装置施加压力，室温下收集XRD数据以监测晶格变化。
• 通过关联电阻率、磁化率和XRD数据，在整个压力范围内构建相图。
• 分析残余电阻率以检测电子散射的变化，表明在p_c附近存在相共存。

实验结果

研究问题

• RQ1 EuBiS₂F中Tc在压力下的显著增强是否与结构相变相关？
• RQ2 Tc增加的压力点与280 K电阻异常被抑制的压力点是否一致，这对其起源有何含义？
• RQ3 EuBiS₂F中是否存在两个与不同晶体结构相关的独立超导相？
• RQ4 单斜相（P2₁/m）中的高Tc相是否比四角相（P4/nmm）中的低Tc相更有利于超导性？
• RQ5 所观察到的行为是否为BiS₂基超导体的普遍特征，尤其是在缺乏强半导体行为的情况下？

主要发现

• EuBiS₂F中的Tc从常压下的0.3 K增至1.4 GPa时的8.6 K，表明在压力下显著增强。
• 可能源于电荷密度波的280 K电阻异常在p_c ≈ 1.4 GPa处被抑制并消失。
• 在1.4至1.8 GPa之间发生从四角相（P4/nmm）到单斜相（P2₁/m）的结构相变，经XRD证实。
• 残余电阻率在p_c ≈ 1.4 GPa处呈现阶梯式下降，表明存在相共存和电子重构。
• 高Tc相与单斜结构相关，表明该相可能在本征上更有利于超导性。
• 结果表明，在压力下EuBiS₂F中存在两个不同的超导相——SC1（四角相，低Tc）和SC2（单斜相，高Tc）——共存。