[论文解读] Robust nodal superconductivity induced by isovalent doping in Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

Xiaoqing Qiu, Shaojie Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过超低温度热导率测量，在等价掺杂的铁砷化物 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂ 和 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 中展示了稳健的节点态超导性。在最佳掺杂和欠掺杂样品中，均观测到热导率的有限剩余线性项（κ₀/T）及 √H 场依赖关系，为超导能隙中存在线性节点提供了有力证据，表明尽管砷族元素高度（hPn）发生变化，节点配对在宽广的掺杂范围内仍保持稳定。

ABSTRACT

We present the ultra-low-temperature heat transport study of iron-based superconductors Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_x$)$_2$As$_2$ and BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$. For optimally doped Ba(Fe$_{0.64}$Ru$_{0.36}$)$_2$As$_2$, a large residual linear term $κ_0/T$ at zero field and a $\sqrt{H}$ dependence of $κ_0(H)/T$ are observed, which provide strong evidences for nodes in the superconducting gap. This result demonstrates that the isovalent Ru doping can also induce nodal superconductivity, as P does in BaFe$_2$(As$_{0.67}$P$_{0.33}$)$_2$. Furthermore, in underdoped Ba(Fe$_{0.77}$Ru$_{0.23}$)$_2$As$_2$ and heavily underdoped BaFe$_2$(As$_{0.82}$P$_{0.18}$)$_2$, $κ_0/T$ manifests similar nodal behavior, which shows the robustness of nodal superconductivity in the underdoped regime and puts constraint on theoretical models.

研究动机与目标

• 通过测量至 50 mK 的热导率，研究等价掺杂的 Ru 和 P 掺杂 BaFe₂As₂ 化合物中的超导能隙结构。
• 确定 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂ 和 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 的欠掺杂区域中节点态超导性是否持续存在，特别是靠近所提出的砷族元素高度阈值（hPn ≈ 1.33 Å）时。
• 通过比较不同掺杂水平下的热导率响应，检验铁基超导体中节点态超导性是否仅由 hPn 调制的假设。
• 通过对比角分辨光电子能谱（ARPES）和体相性质数据，阐明等价掺杂铁砷化物中节点态超导性的起源。

提出的方法

• 在稀释制冷机中，采用标准四线稳态法测量了超低温度下的面内热导率（κ），最低温度达 50 mK。
• 磁场沿 c 轴施加，以探测剩余线性项（κ₀/T）的场依赖性，场扫除在 Tc 以上进行，以确保磁场分布均匀。
• 利用零场下的剩余线性项 κ₀/T 及低场下的 √H 依赖关系，作为超导能隙中线性节点的关键信号。
• 将样品解理为矩形形状（ab 平面内为 1.5 × 0.7 mm²，c 轴方向为 40–80 μm），并通过能量色散 X 射线谱确定 Ru 和 P 的掺杂水平。
• 通过电阻率测量确定 Tc 值，样品根据其转变温度命名为 OP20K（Tc = 20 K）、UD17K（Tc = 17 K）和 UD4K（Tc = 4 K）。
• 与 Wiedemann-Franz 定律（L₀/ρ₀）进行理论比较，以估算正常态热导率，并验证所观测到的 κ₀/T 确为超导态的本征性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂ 中，等价掺杂 Ru 是否会诱导出类似于 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 中 P 掺杂的节点态超导性？
• RQ2 在 Ru 和 P 掺杂 BaFe₂As₂ 化合物的欠掺杂区域中，超导能隙结构如何演化？
• RQ3 砷族元素高度（hPn）是否是铁砷化物中节点态与无节点态超导态之间转变的唯一调制参数？
• RQ4 热导率测量能否解决 ARPES 结果在超导能隙节点的位置和性质方面存在的分歧？

主要发现

• 在最佳掺杂的 Ba(Fe₀.₆₄Ru₀.₃₆)₂As₂（OP20K）中，观测到零磁场下热导率的有限剩余线性项（κ₀/T），为超导能隙中存在线性节点提供了有力证据。
• OP20K 中 κ₀(H)/T 的 √H 场依赖关系证实了线性节点的存在，这与能隙沿费米面轮廓存在节点的预期一致。
• 在欠掺杂的 Ba(Fe₀.₇₇Ru₀.₂₃)₂As₂（UD17K）和高度欠掺杂的 BaFe₂(As₀.₈₂P₀.₁₈)₂（UD4K）中也观测到稳健的节点态超导性，κ₀/T 在低场下仍保持有限。
• 尽管 hPn 值分别为 1.333 Å（UD17K）和 1.317 Å（UD4K），略高于所提出的 1.33 Å 阈值，但节点行为依然持续，表明 hPn 并非唯一调制参数。
• 节点态超导性在宽广的掺杂范围内（从最佳掺杂到高度欠掺杂区域）持续存在，表明 Ru 和 P 掺杂铁砷化物中节点配对具有共同起源。
• 结果对理论模型构成约束，排除了仅由 hPn 调制的从节点态到无节点态的简单转变，暗示费米面拓扑结构或局域电子关联等额外因素可能参与其中。