[论文解读] Low temperature specific heat of the hole-doped Ba_{0.6}K_{0.4}Fe_2As_2 single crystals and electron-doped SmFeAsO_{0.9}F_{0.1} samples

Gang Mu, Huiqian Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2008

Iron-based superconductors research被引用 65

一句话总结

本研究对空穴掺杂的Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂单晶和电子掺杂的SmFeAsO₀.₉F₀.₁多晶进行了低温比热测量，发现Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂在Tc处表现出尖锐的比热异常ΔC/T|Tc = 98 mJ/mol·K²，比SmFeAsO₀.₉F₀.₁（6–8 mJ/mol·K²）高出十倍以上，表明其正常态准粒子态密度显著更高。Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的电子比热系数γₑ(T)表现出微弱的温度依赖性，并随磁场线性增加，表明其主导为全间隙超导态，尽管多带效应尚不能排除，凸显了FeAs-122与FeAs-1111体系在超导配对机制上的根本差异，这源于费米面结构的显著不同。

ABSTRACT

Low temperature specific heat (SH) was measured on the FeAs-based superconducting single crystals Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ and high pressure synthesized polycrystalline samples SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$. It is found that the sharp SH anomaly $ΔC/T|_{T_c}$ in Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ reaches an unexpected high value of 98 mJ/mol K$^2$, about one order of magnitude larger than that of SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$ ($6\sim8$ mJ/mol K$^2$) samples, suggesting very high normal state quasiparticle density of states in FeAs-122 than in FeAs-1111. Furthermore, we found that the electronic SH coefficient $γ_e(T)$ of Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ is weakly temperature dependent and increases almost linearly with the magnetic field in low temperature region, which may indicate that the hole-doped FeAs-122 system contains a dominant component with a full superconducting gap, although we cannot rule out the possibility of a small component with anisotropic or nodal gap. A detailed analysis reveals that the $γ_e(T)$ of Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ cannot be fitted with a single gap of s-wave symmetry probably due to the multigap effect. These results indicate clear difference between the properties of the superconducting state of the holed-doped Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ and the F-doped LnFeAsO (Ln = rare earth elements) systems, which we believe is originated from the complex Fermi surface structures in different systems.

研究动机与目标

• 研究空穴掺杂Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂单晶与电子掺杂SmFeAsO₀.₉F₀.₁多晶的超导隙对称性及准粒子态密度。
• 确定观测到的比热异常是否反映本征体相性质，或与多晶SmFeAsO₀.₉F₀.₁样品的质量有关。
• 比较FeAs-122（Ba,K）与FeAs-1111（Sm,Fe,As,O,F）体系的超导行为，重点关注隙结构与正常态准粒子态密度的差异。
• 评估费米面拓扑结构在决定配对对称性中的作用，特别是不同费米面片对超导性的贡献。
• 为Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中超导隙的本征性质提供体相证据，以解决表面敏感技术报告的矛盾结果。

提出的方法

• 在高质量Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂单晶（Tc = 36.5 K）和高压合成的SmFeAsO₀.₉F₀.₁多晶上进行了低温比热（SH）测量。
• 测量了比热随温度（T）和磁场（H）的变化，通过C/T vs. T及ΔC/T|Tc分析提取超导转变异常。
• 从数据中提取了电子比热系数γₑ(T)，并分析其磁场依赖性以推断隙对称性。
• 基于弱耦合BCS理论，利用γn ≈ ΔC/T|Tc /1.43，从正常态γn推断正常态准粒子态密度（DOS）。
• 利用X射线衍射（XRD）和交流磁化率测量确认样品质量与超导转变温度。
• 与现有角分辨光电子能谱（ARPES）、μSR、NMR及点接触Andreev谱数据进行对比，以定位本研究结果的背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 空穴掺杂Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的比热异常ΔC/T|Tc的大小是多少？与电子掺杂SmFeAsO₀.₉F₀.₁相比如何？
• RQ2 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中电子比热系数γₑ(T)的磁场依赖性是否表明其为全间隙或节点隙超导态？
• RQ3 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的正常态准粒子态密度（DOS）与SmFeAsO₀.₉F₀.₁相比如何？这对费米面拓扑结构有何启示？
• RQ4 尽管晶体结构相似，FeAs-122与FeAs-1111体系为何表现出截然不同的超导行为？
• RQ5 Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中观测到的γₑ(T)行为在多大程度上可用单s波隙模型解释？是否需要多带模型？

主要发现

• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的比热异常ΔC/T|Tc达到98 mJ/mol·K²，约为SmFeAsO₀.₉F₀.₁（6–8 mJ/mol·K²）的十倍，表明其正常态准粒子态密度显著更高。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的正常态电子比热系数γn远大于SmFeAsO₀.₉F₀.₁，根据BCS关系估算得γn ≈ 4–6 mJ/mol·K²，反映出费米能级处更高的态密度。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中电子比热系数γₑ(T)表现出微弱的温度依赖性，并在低温下随磁场线性增加，表明其主导为全间隙超导态。
• Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂的γₑ(T)数据无法用单s波隙模型拟合，表明存在多带效应，尽管全间隙成分占主导。
• FeAs-122与FeAs-1111体系在超导行为上的差异归因于不同的费米面结构：在Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中，Γ点附近的外层费米面片占主导，而在SmFeAsO₀.₉F₀.₁中，M点附近的费米面片占主导。
• 结果表明，费米面拓扑结构，特别是SmFeAsO₀.₉F₀.₁中M点附近具有强动量依赖性及可能节点的费米面片，可能解释了先前研究中观测到的节点隙特征。