[论文解读] Specific heat of the iron-based high-$T_c$ superconductor SmO$_{1-x}$F$_x$FeAs

L. Ding, C. He+5 more|ArXiv.org|Apr 23, 2008

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究调查了SmO1-xFxFeAs的比热，揭示了未掺杂母相化合物中130 K的结构/SDW转变，F掺杂抑制了该转变，并在掺杂样品中于Tc=54 K附近观察到清晰的超导比热异常——与La基类似物不同。母相化合物中出现的尖锐4.6 K比热峰归因于Sm3+离子的反铁磁有序，该结论通过磁熵分析并与Sm2-xCexCuO4-δ比较得到证实。

ABSTRACT

The specific heat $C(T)$ of new iron-based high-$T_c$ superconductor SmO$_{1-x}$F$_x$FeAs ($0 \leq x \leq 0.2$) was systematically studied. For undoped $x$ = 0 sample, a specific heat jump was observed at 130 K. This is attributed to the structural or spin-density-wave (SDW) transition, which also manifests on resistivity as a rapid drop. However, this jump disappears with slight F doping in $x$ = 0.05 sample, although the resistivity drop still exists. The specific heat $C/T$ shows clear anomaly near $T_c$ for $x$ = 0.15 and 0.20 superconducting samples. Such anomaly has been absent in LaO$_{1-x}$F$_x$FeAs. For the parent compound SmOFeAs, $C(T)$ shows a sharp peak at 4.6 K, and with electron doping in $x$ = 0.15 sample, this peak shifts to 3.7 K. It is interpreted that such a sharp peak results from the antiferromagnetic ordering of Sm$^{3+}$ ions in this system, which mimics the electron-doped high-$T_c$ cuprate Sm$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_{4-δ}$.

研究动机与目标

• 系统测量SmO1-xFxFeAs在电子掺杂水平（x = 0 至 0.2）范围内的比热，以绘制其热力学相变图谱。
• 阐明母相化合物中130 K异常的性质，确定其源于结构转变、SDW转变，还是两者兼有。
• 研究Sm基铁砷化物中Tc附近超导比热异常的存在与特征，与La基类似物中此类异常的缺失形成对比。
• 识别并表征与母相及掺杂化合物中Sm3+离子磁有序相关的低温比热特征。

提出的方法

• 采用Quantum Design PPMS的弛豫法，在2–300 K范围内测量了多晶SmO1-xFxFeAs样品（x = 0, 0.05, 0.15, 0.20）的比热。
• 对超导样品（x = 0.15 和 0.20）在8 T磁场下测量了比热的磁场依赖性，以探究超导能隙对称性。
• 使用公式 C = γT + βT³ + Cm 分离比热的电子与磁性贡献，其中Cm代表磁性比热。
• 从Cm(T)计算磁熵S，以确认Sm3+离子基态简并度，S趋于R ln2表明其为双态基态。
• 在14–20 K范围内对数据进行拟合，以提取电子比热系数γ和声子系数β，但因温度范围有限且可能存在磁性关联，需谨慎对待结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmOFeAs中130 K的比热跃迁是否对应于结构转变、SDW转变，或两者兼有？
• RQ2 通过F取代实现的电子掺杂如何影响130 K转变的抑制以及超导性的出现？
• RQ3 为何在SmO1-xFxFeAs中观察到清晰的超导比热异常，而在LaO1-xFxFeAs中却未观察到，尽管两者的Tc值相近？
• RQ4 母相化合物中尖锐4.6 K比热峰的成因是什么？其随电子掺杂如何演化？
• RQ5 SmO1-xFxFeAs中的低温比热异常是否由Sm3+离子的磁有序引起？与电子掺杂铜氧化物相比有何异同？

主要发现

• 在x = 0样品中130 K处的比热跃迁表明存在结构转变或自旋密度波（SDW）转变，该转变在F掺杂（x = 0.05）后被抑制，尽管电阻持续下降。
• 在x = 0.15和x = 0.20样品中，Tc = 54 K附近观察到清晰的比热异常，表明其超导载流子密度高于La基类似物，后者未表现出此类异常。
• 在x = 0样品中4.6 K处出现的尖锐比热峰归因于Sm3+离子的反铁磁有序，电子掺杂（x = 0.15）后该峰移至3.7 K。
• 与该转变相关的磁熵趋于R ln2，证实了晶体场中Sm3+离子的双态基态。
• x = 0样品的电子比热系数γ异常之高（119.4 mJ/mol·K²），反映了强烈的磁性关联，但因拟合温度范围有限（14–20 K），其可靠性存疑。
• 在8 T磁场下，γ值仅略有增加（从81.0增至83.7 mJ/mol·K²），表明其场依赖性微弱，与La基体系中观察到的强场依赖性形成鲜明对比。