[论文解读] SrFeAsF: A new parent phase for FeAs-based superconductors

Fei Han, Xiyu Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2008

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本文报道了具有ZrCuAsSi结构的新型铁砷基超导体母相SrFeAsF的合成。其在约173 K处出现相变，伴随显著的霍尔效应和磁阻效应，且在此温度以下霍尔系数为正——表明存在空穴型载流子，挑战了传统观点中自旋密度波序均匀关闭电子口袋的假设，揭示了更复杂的费米面重构。

ABSTRACT

We have successfully synthesized the fluo-arsenide SrFeAsF, a new parent phase with the ZrCuAsSi structure. The temperature dependence of resistivity and dc magnetization both reveal an anomaly at about T_{an} = 173 K, which may correspond to the structural and/or Spin-Density-Wave (SDW) transition. Strong Hall effect and magnetoresistance were observed below T_{an}. Interestingly, the Hall coefficient R_H is positive below T_{an}, which is opposite to the cases in the two parent phases of FeAs-based systems known so far, i.e., LnFeAsO (Ln = rare earth elements) and (Ba, Sr)Fe_2As_2 where the Hall coefficient R_H is negative. This strongly suggests that the gapping to the Fermi surfaces induced by the SDW order is more complex than we believed before that it removes the density of states on some Fermi pockets and leaves one of the electron pockets less-gapped or un-gapped. Our data clearly show that it is possible for the parent phase to have electron-like or hole-like charge carriers.

研究动机与目标

• 识别并合成具有独特电子结构的新型铁砷基超导体母相。
• 研究SrFeAsF中的电子与磁性相变，特别是~173 K处异常现象的本质。
• 探讨母相中载流子类型（电子型与空穴型）的差异，与已知铁砷体系中霍尔系数为负的现象形成对比。
• 理解自旋密度波（SDW）诱导的费米面隙化过程的复杂性，超越简单地认为电子口袋被均匀关闭的模型。

提出的方法

• 采用固相反应技术合成SrFeAsF，以实现ZrCuAsSi结构。
• 测量温度依赖的电阻率，以探测电子相变。
• 获取直流磁化率数据，以识别磁性或结构相变。
• 分析霍尔效应与磁阻效应，以确定T_{an}以下的载流子类型与输运行为。
• 将霍尔系数（R_H）行为与已知母相（如LnFeAsO和(Ba,Sr)Fe2As2）进行比较。
• 利用霍尔系数的符号与大小推断载流子本质及费米面重构特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrFeAsF是否在~173 K处发生结构相变或自旋密度波（SDW）相变？其本质为何？
• RQ2 为何在SrFeAsF中霍尔系数（R_H）在T_{an}以下变为正值，而其他铁砷基母相中R_H为负？
• RQ3 与假设电子口袋均匀被关闭的常规模型相比，SrFeAsF中由SDW序引起的费米面隙化有何不同？
• RQ4 正的R_H对载流子类型及母相中未被隙化或较少被隙化的费米面口袋意味着什么？
• RQ5 SrFeAsF的电子结构能否与铁基超导体中SDW形成现有模型相协调？

主要发现

• 成功合成具有ZrCuAsSi结构的SrFeAsF，证实其为铁砷基超导体的新母相。
• ~173 K处电阻率与直流磁化率的异常表明存在结构和/或自旋密度波（SDW）相变。
• 在T_{an}以下观察到强烈的霍尔效应与磁阻效应，表明载流子动力学发生显著变化。
• 在T_{an}以下霍尔系数（R_H）为正，表明存在空穴型载流子，与其它铁砷基母相中观察到的负R_H相反。
• 这一正R_H挑战了主流模型中认为SDW序主要关闭电子口袋的观点，表明部分电子口袋可能保持未被隙化或受较小影响。
• 结果表明，费米面重构的复杂性远超先前假设，母相中电子型与空穴型载流子可能共存。