[论文解读] First Order Phase Transition and Superconductivity in BaNi2As2 Single Crystals

F. Ronning, Nobuyuki Kurita+6 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究报道了高质量 BaNi₂As₂ 单晶的合成，其在 130 K 处表现出一级相变，归因于自旋密度波和结构相变，同时在 0.7 K 处表现出体超导性。在具有 Ni₂As₂ 层的化学计量化合物中，超导性在一级相变以下的共存，标志着理解铁基超导体中竞争序的重要进展。

ABSTRACT

We report the synthesis and physical properties of single crystals of stoichiometric BaNi2As2 that crystalizes in the ThCr2Si2 structure with lattice parameters a = 4.112(4) Åand c = 11.54(2) Å. Resistivity and heat capacity show a first order phase transition at T_0 = 130 K with a thermal hysteresis of 7 K. The Hall coefficient is weakly temperature dependent from room temperature to 2 K where it has a value of -4x10^{-10} Ω-cm/Oe. Resistivity, ac-susceptibility, and heat capacity find evidence for bulk superconductivity at T_c = 0.7 K. The Sommerfeld coefficient at T_c is 11.6 \pm 0.9 mJ/molK^2. The upper critical field is anisotropic with initial slopes of dH_{c2}^{c}/dT = -0.19 T/K and dH_{c2}^{ab}/dT = -0.40 T/K, as determined by resistivity.

研究动机与目标

• 合成具有 ThCr₂Si₂ 结构的化学计量 BaNi₂As₂ 的高质量单晶。
• 研究 BaNi₂As₂ 中的电子和磁性相变，特别是 130 K 附近相变的本质。
• 确定体超导性是否与一级相变共存，并表征其超导参数。
• 将 BaNi₂As₂ 的电子行为与其它 122 型铁砷化物及相关的镍基化合物进行比较。
• 探讨竞争序（特别是自旋密度波 (SDW) 和超导性）在决定化学计量 BaNi₂As₂ 基态中的作用。

提出的方法

• 采用 Pb flux 法生长 BaNi₂As₂ 单晶，其化学计量比为 Ba:Ni:As:Pb = 1:2:2:20。
• 通过单晶 X 射线衍射确定晶体结构和晶格参数（a = 4.112(4) Å，c = 11.54(2) Å，空间群 I4/mmm）。
• 从 2 K 到 300 K 进行电阻率、交流磁化率和比热测量，以探测相变和超导性。
• 低温比热通过 C = γT + βT³ + αT⁵ 拟合，以提取索末菲系数 γ 和德拜温度 θD。
• 利用 50% 电阻率转变标准，从沿 ab 面和 c 轴施加磁场的电阻率数据中提取上临界场 Hc2。
• 使用公式 ξ = (Φ₀ / 2πHc2(0))¹ᐟ² 估算吉古拉-兰道相干长度，其中 Φ₀ = 2.07×10⁻⁷ Oe·cm²。

实验结果

研究问题

• RQ1 化学计量 BaNi₂As₂ 是否表现出一级相变？其本质是什么（结构、磁性，或两者兼有）？
• RQ2 BaNi₂As₂ 中是否存在超导性？若存在，其临界温度 Tc 是多少？
• RQ3 在具有 Ni₂As₂ 层的化学计量化合物中，超导性是否能与一级相变共存？
• RQ4 上临界场 Hc2 的各向异性如何？其与超导相干长度的关系是什么？
• RQ5 BaNi₂As₂ 的电子结构与铁基及镍基 122 化合物相比，在竞争序方面有何异同？

主要发现

• BaNi₂As₂ 在冷却过程中于 T₀ = 130 K 处表现出一级相变，在升温过程中于 137 K 处发生相变，具有 7 K 的热滞后，表明其具有强烈的首阶特征。
• 霍尔系数为负且弱温度依赖，2 K 时为 -4×10⁻¹⁰ Ω·cm/Oe，表明载流子为电子型。
• 在 Tc = 0.7 K 处观察到体超导性，由电阻率降至零、交流磁化率显示抗磁响应以及比热出现尖锐跃迁所证实。
• 在 Tc 处的索末菲系数为 11.6 ± 0.9 mJ/mol·K²，与重费米子行为一致，德拜温度为 206 K。
• 上临界场具有各向异性，初始斜率分别为 dHc2ᶜ/dT = -0.186 T/K 和 dHc2ᵃᵇ/dT = -0.396 T/K，各向异性比为 2.1。
• 零温上临界场估计值为 Hc2(0) = 0.09 T（H||c）和 0.19 T（H||ab），由此得出相干长度 ξᶜ = 610 Å 和 ξᵃᵇ = 420 Å。