[论文解读] Growth and Anisotropy in transport properties and susceptibility of single crystals $BaFe_2As_2$

XueLiang Wang, Tao Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2008

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究通过自 flux 法生长的高质量单晶 BaFe₂As₂，揭示了其本征输运性质与磁性。研究发现电阻率各向异性极大（~150），且电阻率极小值随磁场变化，低温下呈现 log(1/T) 发散，表明电子关联作用强烈。在 SDW 转变温度以上，未观察到居里-外斯行为，且磁化率呈线性 T 依赖，表明局域磁矩与巡游电子共存，类似于铬的 SDW 态。

ABSTRACT

Sizable single crystals of $BaFe_2As_2$ have been grown with self-flux method. The crystals are plate-like with c-axis perpendicular to the plane. The size can be as large as 3 x 5 x 0.2 $mm^3$. The resistivity anisotropy ($ ho_c/ ho_{ab}$) is as large as about 150, and independent of temperature. The transport in ab plane and along c-axis direction shares the same scattering mechanism. In contrast to the magnetic behavior of polycrystalline samples, no Curie-Weiss behavior are observed, a temperature linear dependent susceptibility occurs above spin-density-wave (SDW) transition. The susceptibility behavior is very similar to that of antiferromagnetic SDW chromium. Magnetic behavior of single crystal definitely gives evidence for existence of local moment except for the contribution to susceptibility from itinerant electrons. A resistivity minimum strongly dependent on magnetic field is observed. A log(1/T) divergency, similar to that of the underdoped cuprates, happens at low temperature. Here we first present intrinsic transport and magnetic properties, and their anisotropy from high quality single crystal.

研究动机与目标

• 使用自 flux 法生长高质量 BaFe₂As₂ 单晶，以实现本征性质的测量。
• 研究单晶中电输运与磁化率的本征各向异性。
• 解决多晶与单晶磁行为之间的差异，特别是关于居里-外斯行为与局域磁矩的问题。
• 研究低温电阻率异常及其磁场依赖性的起源。
• 阐明在 SDW 转变温度以上，局域磁矩与巡游电子在磁响应中的作用。

提出的方法

• 采用自 flux 法生长片状 BaFe₂As₂ 单晶，尺寸达 3 × 5 × 0.2 mm³，c 轴垂直于基面。
• 测量 ab 平面与 c 轴方向的电阻力率，以确定各向异性（ρc/ρab ≈ 150），并识别共同的散射机制。
• 在自旋密度波（SDW）转变温度以上测量磁化率，评估其温度依赖性，并与多晶数据进行比较。
• 分析磁场依赖的电阻率，检测极小值，并与电子关联性相关联。
• 检查低温电阻率行为，观察 log(1/T) 发散，该特征与欠掺杂铜氧化物类似。
• 利用单晶数据，分离局域磁矩与巡游电子在磁响应中的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaFe₂As₂ 单晶中的本征电阻率各向异性是多少？是否随温度变化？
• RQ2 单晶在 SDW 转变温度以上的磁化率与多晶样品有何不同？
• RQ3 BaFe₂As₂ 中存在局域磁矩的证据是什么？它们如何贡献于磁化率？
• RQ4 为何在磁场下观察到电阻率极小值？这揭示了何种电子关联性？
• RQ5 低温电阻率是否表现出 log(1/T) 发散？这对其电子态有何含义？

主要发现

• 电阻率各向异性（ρc/ρab）达到 ~150，且温度无关，表明存在强烈的电子各向异性。
• ab 平面与 c 轴方向的输运行为遵循相同的散射机制，表明具有共同的散射起源。
• 在 SDW 转变温度以上，单晶中未观察到居里-外斯行为，与多晶样品形成对比。
• 在 SDW 转变温度以上，观察到磁化率呈线性 T 依赖，与反铁磁铬类似。
• 磁响应提供了局域磁矩的明确证据，其贡献可与巡游电子区分开来。
• 观察到强烈依赖磁场的电阻率极小值，表明电子关联性可被磁场调控。
• 在低温下观察到电阻率的 log(1/T) 发散，这是欠掺杂铜氧化物行为的典型特征。