[论文解读] Measurement and analysis of the Hall effect of A-Fe$_2$As$_2$ single crystals with A = Ba, Ca or Sr

C. L. Zentile, J. Gillett+2 more|ArXiv.org|Nov 6, 2009

Magnetic Properties of Alloys参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究通过测量单晶 A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）中的霍尔系数 $R_H(T)$，探测自旋密度波（SDW）能隙，并验证其与量子振荡数据的一致性。利用 $R_H(T)$ 和霍尔迁移率，作者估算出 Sr-122 的 $\Delta_{SDW}(0) = 710 \pm 70$ K，Ba-122 的 $\Delta_{SDW}(0) = 435 \pm 20$ K，显著高于 BCS 理论预测值，并发现与高场量子振荡及光学反射率数据高度一致。

ABSTRACT

We report measurements of the Hall coefficient $R_H$ for single crystals of AFe$_2$As$_2$ with $A = Ba, Ca$ or $Sr$ which are the anti-ferromagnetic parent compounds of some high temperature pnictide superconductors. We show that $R_H$ of Sr-122 is consistent with high field quantum oscillation data. Our $R_H(T)$ data can also be used to estimate values of the spin density wave gap, giving $Δ_{SDW}(0) = 710\pm 70$ K for Sr-122 and $435\pm 20$ K for Ba-122.

研究动机与目标

• 测量高质量单晶 A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）中的霍尔系数 $R_H(T)$，以探测自旋密度波（SDW）转变附近电子结构。
• 基于有效质量与载流子浓度模型，利用 $R_H(T)$ 和霍尔迁移率数据估算零温下的 SDW 能隙 $\Delta_{SDW}(0)$。
• 检验低场霍尔效应测量与高场量子振荡（QO）数据之间的一致性，尤其针对 Sr-122。
• 将估算的 $\Delta_{SDW}(0)$ 值与光学反射率数据及 BCS 理论预测进行比较。
• 评估电子-空穴口袋平衡与散射机制在塑造 $R_H(T)$ 和 $1/\mu_H(T)$ 行为中的作用。

提出的方法

• 采用四探针 van der Pauw 方法测量单晶（Ca, Sr 通过 Sn 液相外延生长，Ba 通过自扩散液相法生长）的 $R_H(T)$，磁场沿 $c$-轴方向施加。
• 利用霍尔迁移率 $\mu_H(T)$ 及其倒数，提取 $T^2$ 和 $T^3$ 项，通过拟合 $1/\mu_H(T) = \alpha + \beta T^2$ 或 $\alpha + \beta T^3$ 来推断低能费米面特性。
• 提出 $n_{\text{eff}}(T)$（由 $R_H(T)$ 推导的有效载流子浓度）的模型，假设电子和空穴口袋贡献相等（$n_e = n_h$）且电导率近似相等（$\sigma_e \approx \sigma_h$）。
• 将 $n_{\text{eff}}(T)$ 在低于 $T_S/2$ 的温度范围内拟合为 $C + DT^2$ 或 $C + DT^3$，通过扣除 $T^2$ 或 $T^3$ 背景后，对 $\log n_{\text{eff}}$ 与 $1/T$ 的关系图斜率提取 SDW 能隙 $\Delta_{SDW}(0)$。
• 将估算的 $\Delta_{SDW}(0)$ 值与 BCS 预测及光学反射率数据进行比较，特别关注 Ba（360/890 cm⁻¹）和 Sr（500/1360 cm⁻¹）中异常出现的起始点。
• 评估磁突破效应，发现其可忽略，支持标准霍尔公式在椭球形口袋中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）的霍尔系数 $R_H(T)$ 在结构与磁性相变温度 $T_S$ 附近如何变化？
• RQ2 是否可利用 $R_H(T)$ 和霍尔迁移率的温度依赖性来估算零温下的自旋密度波能隙 $\Delta_{SDW}(0)$？
• RQ3 霍尔数据与 Sr-122 和 Ba-122 的高场量子振荡结果在多大程度上一致？
• RQ4 估算的 $\Delta_{SDW}(0)$ 值与 BCS 理论及光学反射率测量结果相比如何？
• RQ5 在 $1/\mu_H(T)$ 中 $T^2$ 或 $T^3$ 依赖性的来源是什么？其与费米面嵌套及载流子散射的关系如何？

主要发现

• 霍尔系数 $R_H(T)$ 在 20 K 到 80 K 之间增加约 3 倍，随后在低于 $T_S$ 时趋于平坦，表明发生向自旋密度波态的交叉转变。
• 对于 Sr-122，$\Delta_{SDW}(0) = 710 \pm 70$ K，约为 BCS 预测值的 2.1 倍；对于 Ba-122，$\Delta_{SDW}(0) = 435 \pm 20$ K，约为 BCS 预测值的 1.8 倍。
• 对于 Ca-122，若 $n_{\text{eff}}(T)$ 拟合为 $C + DT^3$，则 $\Delta_{SDW}(0) = 1150 \pm 150$ K，但若拟合为 $C + DT^2$，则仅约为 BCS 预测值的 1.2 倍，表明低温行为存在不确定性。
• $1/\mu_H(T)$ 中的 $T^2$ 项在 Sr-122 中比 Ba-122 大四倍，与 Sr-122 中较低的费米能级 $E_F$ 一致。
• 光学反射率数据显示，Ba 在 360/890 cm⁻¹ 和 Sr 在 500/1360 cm⁻¹ 处出现异常，分别与 $\Delta_{SDW}(0)$ 和 $2\Delta_{SDW}(0)$ 一致。
• Sr-122 的霍尔数据与高场量子振荡结果高度一致，验证了低场霍尔测量可用于探测 SDW 能隙。