[论文解读] The electronic specific heat of Ba1-xKxFe2As2 from 2K to 380K

James Storey, J. W. Loram+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2010

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究采用高分辨率差示测量技术，在2K至380K温度范围内测量了多晶Ba1-xKxFe2As2的电子比热，实现了对电子贡献的精确提取。x=0.3样品在Tc=35K处表现出显著的超导异常（Δγ ≈ 48 mJ/mol K²），揭示出无节点、强各向异性的超导能隙以及较高的金斯堡-朗道参数（κ≈130），表明其具有强第二类超导行为。

ABSTRACT

Using a differential technique, we have measured the specific heats of polycrystalline Ba1-xKxFe2As2 samples with x=0, 0.1 and 0.3, between 2K and 380K and in magnetic fields 0 to 13 Tesla. From this data we have determined the electronic specific heat coefficient, gamma, over the entire range for the three samples. The most heavily doped sample (x=0.3) exhibits a large superconducting anomaly Delta gamma(Tc)~48mJ/molK^2 at Tc=35K, and we determine the energy gap, condensation energy, superfluid density and coherence length. In the normal state for the x=0.3 sample, gamma~47 mJ/molK^2 is constant from Tc to 380K. In the parent compound (x=0) there is a large almost first order anomaly at the spin density wave (SDW) transition at To=136K. This anomaly is smaller and broader for x=0.1. At low T, gamma is strongly reduced by the SDW gap for both x=0 and 0.1, but above To, gamma for all three samples are similar.

研究动机与目标

• 利用差示测量技术，在Ba1-xKxFe2As2（x=0, 0.1, 0.3）的全温度范围内测定电子比热系数γ。
• 研究钾掺杂对电子性质的影响，特别是自旋密度波（SDW）序的抑制与超导性的出现。
• 从电子比热的磁场与温度依赖性中提取关键超导参数——能隙、凝聚能、超流密度、相干长度及上临界场。
• 评估超导能隙的性质（如无节点与节点的区别）以及电子关联在正常态中的作用。

提出的方法

• 采用差示技术测量掺杂与未掺杂BaFe2As2样品之间的比热差值，以最小化声子贡献。
• 在2K–380K温度范围及最高13T的磁场下使用高精度量热法，从总比热中分离出电子贡献。
• 对残余声子项进行修正，并通过C(T)/T计算得到γ(T)，从而分析费米能级附近的电子态密度。
• 利用磁场依赖性测量提取电子熵与自由能的变化，并将结果拟合至s波超导体的Hao-Clem模型。
• 通过自由能的磁场依赖性拟合，利用金斯堡-朗道关系提取λ(0)、Hc2、Hc1、Hc和ξ。
• 从磁场与零场数据中计算γ(H) = γ(H,T) − γ(0,T)，从而确定超导态的热力学性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 钾掺杂（x=0.1, 0.3）如何抑制T₀=136K处的自旋密度波（SDW）转变，并改变电子比热？
• RQ2 x=0.3样品中超导能隙的性质是什么？其是否具有节点或各向异性？
• RQ3 在x=0.3样品中，关键超导参数——上临界场Hc2、穿透深度λ、相干长度ξ及金斯堡-朗道参数κ的值是多少？
• RQ4 正常态下电子比热随掺杂的演化如何？这对态密度与SDW能隙形成意味着什么？
• RQ5 低温下电子T²项在比热中在多大程度上反映本征电子贡献，而非声子效应？

主要发现

• x=0.3样品在Tc=35K处表现出显著的超导异常，Δγ(Tc) ≈ 48 mJ/mol K²，表明存在强烈的超导转变。
• 对于x=0.3样品，从Tc到380K，正常态的γ值几乎保持恒定，约为47 mJ/mol K²，表明其具有稳健的、类似无能隙的正常态，且电子重正则化效应极小。
• 超导能隙为无节点且强各向异性，与多重隙或高度各向异性的s波配对一致，由自由能的磁场依赖性所支持。
• 上临界场Hc2与射频穿透深度测量（x=0.45单晶）及红外光谱测量结果一致（λ(0)≈260 nm）。
• 伦敦穿透深度λ(0)≈260 nm以及高κ≈130，证实了x=0.3样品中强第二类超导行为。
• 在2.5K时，自由能的磁场依赖性可被s波超导体的Hao-Clem模型良好拟合，支持完全打开、无节点的超导态。