[论文解读] Tetragonal magnetic phase in Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ from x-ray and neutron diffraction

Jared M. Allred, Sevda Avcı+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Iron-based superconductors research被引用 10

一句话总结

本研究通过结合X射线与中子粉末衍射，在空穴掺杂的Ba1-xKxFe2As2（x = 0.24）中识别出一种少数相的四角磁性相（C4相），证明其结构与磁性特征与先前在Ba1-xNa xFe2As2中观察到的C4相相似。该相在约30 K以下出现，在约22 K时相分数达到约8%的峰值，并在Tc以下被抑制，表明其为空穴掺杂122族铁基超导体的普遍特征，且与存在竞争费米面嵌套的巡游自旋向列理论一致。

ABSTRACT

Combined neutron and x-ray diffraction experiments demonstrate the formation of a low-temperature minority tetragonal phase in Ba$_{0.76}$K$_{0.24}$Fe$_2$As$_2$ in addition to the majority magnetic, orthorhombic phase. A coincident enhancement in the magnetic ($\frac{1}{2}$ $\frac{1}{2}$ 1) peaks shows that this minority phase is of the same type that was observed in Ba$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ ($0.24 \leq x \leq 0.28$), in which the magnetic moments reorient along the $c$-axis. This is evidence that the tetragonal magnetic phase is a universal feature of the hole-doped iron-based superconductors.

研究动机与目标

• 确定此前在Ba1-xNa xFe2As2中观察到的四角磁性C4相是否存在于空穴掺杂的Ba1-xKxFe2As2体系中。
• 利用高分辨率衍射技术研究Ba1-xKxFe2As2中C4相的结构与磁性特征。
• 评估C4相相对于超导性与常规C2条纹SDW相的稳定性与相竞争关系。
• 评估C4相是否为所有空穴掺杂122族铁基超导体的普遍特征，而不受掺杂阳离子（Na与K）的影响。

提出的方法

• 在先进光源（Beamline 11-BM-B）使用液氦低温恒温器进行高分辨率粉末X射线衍射（PXRD），波长λ = 0.413429 Å。
• 在ISIS脉冲中子与μ子源（Wish Beamline）进行高强度粉末中子衍射（PND），以探测磁性与结构相变。
• 使用GSAS与EXPGUI进行Rietveld精修，分析PXRD与PND数据，提取晶格参数、相分数与磁性峰强度。
• 在10.5 K至120 K范围内进行温度依赖性衍射测量，实现精细温度控制以分辨相变行为。
• 将中子数据中(1/2 1/2 1)磁性峰强度与X射线数据中结构分裂进行对比，关联磁性与结构特征。
• 对另一样品（x = 0.225）进行分析，以确定C4相存在的最低组分极限，确认在x < 0.22时C4相完全消失。

实验结果

研究问题

• RQ1 在x = 0.24的Ba1-xKxFe2As2中是否存在四角磁性C4相，其结构与磁性是否与Ba1-xNa xFe2As2中的C4相完全一致？
• RQ2 C4相在Ba1-xKxFe2As2中的温度与组分稳定性范围如何？其与C2条纹SDW相相比有何差异？
• RQ3 C4相如何与超导性竞争？其是否在Tc以下被完全抑制？
• RQ4 C4相是否为所有空穴掺杂122族铁基超导体的普遍特征，还是仅限于特定掺杂阳离子？
• RQ5 C4相与C2相的共存对电子机制有何启示，特别是在巡游自旋向列理论背景下？

主要发现

• 在Ba0.76K0.24Fe2As2中，低于约30 K时观察到一种少数四角磁性相（C4相），其最大相分数在约22 K时达到约8%。
• 通过(112)与(114)X射线峰的分裂以及(1/2 1/2 1)磁性中子峰强度增强，确认了C4相的存在，其特征与Ba1-xNa xFe2As2中的C4相完全一致。
• C4相在Tc以下被抑制，在12 K以下无检测到信号，表明其在超导态中被完全抑制。
• 在Ba0.775K0.225Fe2As2（x = 0.225）中未检测到C4相，确定其稳定存在的最低组分极限为x ≥ 0.24。
• C4相的面内晶格参数小于主正交相，表明存在结构畸变。
• C4相与C2相的共存，且C4相对组分与温度高度敏感，支持巡游自旋向列理论，即在SDW穹顶边缘C2与C4相的自由能几乎简并。