[论文解读] Parallel suppression of superconductivity and Fe moment in the collapsed tetragonal phase of Ca0.67Sr0.33Fe2As2 under pressure

Jason R. Jeffries, Nicholas P. Butch+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2014

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在压力下，Sr掺杂的Ca0.67Sr0.33Fe2As2中，Fe磁矩与体积坍缩转变实现了解耦，使得坍缩四方相（CT相）中仍能保持持久的Fe磁矩（约0.4 μB）。Fe磁矩强烈受c轴晶格常数调控，支持一种普遍机制：顺磁性CT相中的磁涨落驱动非传统超导性，且Tc的抑制与Fe磁矩的演化同步。

ABSTRACT

Using non-resonant Fe K-beta x-ray emission spectroscopy, we reveal that Sr-doping of CaFe2As2 decouples the Fe moment from the volume collapse transition, yielding a collapsed-tetragonal, paramagnetic normal state out of which superconductivity develops. X-ray diffraction measurements implicate the c-axis lattice parameter as the controlling criterion for the Fe moment, promoting a generic description for the appearance of pressure-induced superconductivity in the alkaline-earth-based 122 ferropnictides (AFe2As2). The evolution of the superconducting critical temperature with pressure lends support to theories for superconductivity involving unconventional pairing mediated by magnetic fluctuations.

研究动机与目标

• 研究压力下122铁基砷化物中结构相变、Fe磁矩与超导性之间的相互作用。
• 确定Fe磁矩是否在坍缩四方（CT）相中普遍被淬灭，挑战先前基于未掺杂CaFe2As2的假设。
• 阐明晶格常数（尤其是c轴）在控制Fe磁矩大小和超导配对中的作用。
• 为c轴压缩与AFe2As2化合物中磁性与超导行为之间关联的通用机制提供实验证据。
• 探索通过调控CT相以实现高Tc超导性的可行性，同时保持Fe磁矩。

提出的方法

• 采用非共振Fe Kβ X射线发射谱（XES）探测高压下Fe 3d电子占据和磁矩的瞬时演化。
• 通过X射线衍射（XRD）测量追踪a轴、c轴和晶胞体积随压力和温度的变化。
• 利用带有Be垫片和氖/硅油压致介质的金刚石对顶砧（DAC）实现最高约10 GPa的高压实验。
• 通过ruby荧光和Cu晶格常数变化实现XES和XRD测量中的原位压力校准。
• 实验在高级光子源（APS）的高压合作访问团队（HPCAT）的beamlines 16-IDD（XES）和16-BMD（XRD）上进行。
• 引入（Ca0.92Nd0.08）Fe2As2的对比数据，以评估温度驱动的结构与磁性相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静水压下，Sr掺杂的CaFe2As2的坍缩四方（CT）相中，Fe磁矩是否仍然存在？
• RQ2 CT相中Fe磁矩的大小是否与特定晶格常数（尤其是c轴）相关？
• RQ3 Tc在压力下的抑制与CT相中Fe磁矩的演化有何关系？
• RQ4 c轴晶格常数能否作为AFe2As2体系中Fe磁矩和超导性的通用控制参数？
• RQ5 CT相中Fe磁矩的持续存在是否支持一种非传统、磁涨落介导的配对机制？

主要发现

• 在压力下，Ca0.67Sr0.33Fe2As2中的Fe磁矩在坍缩四方（CT）相中仍保持显著（约0.4 μB），与未掺杂CaFe2As2中普遍淬灭的现象相矛盾。
• Fe磁矩与c轴晶格常数强烈相关，当c < 10.65 Å时磁矩显著损失，与Nd掺杂CaFe2As2的行为一致。
• c轴晶格常数对Fe磁矩大小的调控作用优于内部结构参数（如Fe-As键长或As-Fe-As键角）。
• Tc在压力下的抑制与Fe磁矩的抑制高度同步，支持由磁涨落介导的非传统配对机制。
• CT相中的体积收缩主要由c轴压缩主导，表明c轴调控是控制Fe磁矩和超导性的主要手段。
• 结果支持一种通用且普适的描述：在122铁基砷化物中，通过c轴晶格常数调控磁涨落，实现压力诱导的超导性。