[论文解读] Phase Diagram and Quantum Critical Point in Newly Discovered Superconductors: SmO_{1-x}F_xFeAs

R. H. Liu, Gang Wu+12 more|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 6被引用 8

一句话总结

本研究在 SmO₁₋ₓFₓFeAs 中确定了在 x ≈ 0.14 处存在一个量子临界点（QCP），此时自旋密度波（SDW）序被抑制，超导性在最佳掺杂（x = 0.20）时出现，Tc 达 54 K。QCP 的证据来自 T 线性电阻率和霍尔系数的显著上升，表明载流子密度下降和临界涨落，其行为与高温超导铜氧化物类似，暗示由量子临界性驱动的非常规超导性。

ABSTRACT

The magnetic fluctuations associated with a quantum critical point (QCP) are widely believed to cause the non-Fermi liquid behaviors and unconventional superconductivities, for example, in heavy fermion systems and high temperature cuprate superconductors. Recently, superconductivity has been discovered in iron-based layered compound $LaO_{1-x}F_xFeAs$ with $T_c$=26 K\cite{yoichi}, and it competes with spin-density-wave (SDW) order\cite{dong}. Neutron diffraction shows a long-rang SDW-type antiferromagnetic (AF) order at $\sim 134$ K in LaOFeAs\cite{cruz,mcguire}. Therefore, a possible QCP and its role in this system are of great interests. Here we report the detailed phase diagram and anomalous transport properties of the new high-Tc superconductors $SmO_{1-x}F_xFeAs$ discovered by us\cite{chenxh}. It is found that superconductivity emerges at $x\sim$0.07, and optimal doping takes place in the $x\sim$0.20 sample with highest $T_c \sim $54 K. While $T_c$ increases monotonically with doping, the SDW order is rapidly suppressed, suggesting a QCP around $x \sim$0.14. As manifestations, a linear temperature dependence of the resistivity shows up at high temperatures in the $x<0.14$ regime, but at low temperatures just above $T_c$ in the $x>0.14$ regime; a drop in carrier density evidenced by a pronounced rise in Hall coefficient are observed, which mimic the high-$T_c$ cuprates. The simultaneous occurrence of order, carrier density change and criticality makes a compelling case for a quantum critical point in this system.

研究动机与目标

• 绘制 SmO₁₋ₓFₓFeAs 的电子相图，并识别掺杂驱动的量子相变。
• 研究铁基超导体中自旋密度波（SDW）序与超导性之间的相互作用。
• 确定在最佳超导掺杂附近是否出现由非费米液体输运特征标记的量子临界行为。
• 将 SmO₁₋ₓFₓFeAs 中的输运特征与高温超导铜氧化物和重费米子体系进行比较。

提出的方法

• 在充满氩气的手套箱中通过固相反应合成多晶 SmO₁₋ₓFₓFeAs 样品（x = 0–0.3），并在 1160 °C 下进行高温退火。
• 通过 X 射线衍射（XRD）分析确认相纯度及随氟掺杂的晶格参数演变。
• 从 5 K 到 475 K 测量电阻率和霍尔系数，以探测正常态输运及载流子密度演变。
• 分析电阻率和霍尔系数的温度依赖性，以识别与 SDW 转变和量子临界性相关的异常。
• 将电阻率数据拟合为幂律形式（ρ = a + bTⁿ），以检测掺杂引起的温度依赖性变化。
• 利用霍尔角标度（cotθH ∝ T¹·⁵）识别与 SDW 涨落相关的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmO₁₋ₓFₓFeAs 中是否存在量子临界点？若存在，其掺杂水平为何？
• RQ2 自旋密度波（SDW）序的抑制与超导性的出现及增强之间存在何种关联？
• RQ3 输运特征——T 线性电阻率和霍尔系数上升——在多大程度上与高温超导铜氧化物中的行为相一致？
• RQ4 载流子密度的变化在最佳掺杂附近的电子相变中起何种作用？
• RQ5 霍尔角的标度行为（cotθH ∝ T¹·⁵）能否用于识别量子临界涨落的起始？

主要发现

• 在 SmO₁₋ₓFₓFeAs 中，超导性在 x ≈ 0.07 处出现，Tc 随掺杂单调增加，在 x = 0.20 处达到最大值 54 K。
• 自旋密度波（SDW）转变温度（Ts）从 x = 0 时的 ~148 K 降低至 x = 0.15 时的 ~130 K，表明氟掺杂抑制了 SDW 序。
• 在 x ≈ 0.14 处出现电阻率温度依赖性的转变：低于此掺杂浓度时，电阻率呈现非线性 Tⁿ 依赖性（n < 2），而高于此值时，电阻率变为与 T 线性关系（n = 1），表明量子临界行为的开始。
• 霍尔系数在 Ts 处出现显著上升，表明由于形成 SDW 导致载流子密度下降，该效应在 x = 0.10 处最强，且在 x > 0.15 后逐渐减弱。
• 对于 x ≥ 0.13，霍尔角在整个温度范围内遵循 T¹·⁵ 标度定律，且在 Ts 处出现偏差，表明 SDW 涨落抑制了该标度行为。
• 同时观测到 T 线性电阻率、载流子密度下降以及霍尔角标度，强烈支持在 x ≈ 0.14 处存在一个量子临界点，此时 SDW 序被完全抑制，超导性占主导地位。