[论文解读] The intrinsic electronic phase diagram of iron-oxypnictide superconductors

C. Heß, A. Kondrat+6 more|ArXiv.org|Nov 10, 2008

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过在广泛掺杂范围内对LaFeAsO₁₋ₓFₓ和SmFeAsO₁₋ₓFₓ进行电输运测量，首次构建了铁基氧氢化物超导体的本征电子相图。结果表明，高温超导性在具有异常正常态输运行为的区域中出现——该行为类似于赝能隙和自旋密度波特征——而在较高掺杂下则呈现费米液体行为，且异常越强，Sm基化合物的Tc越高。

ABSTRACT

We present the first comprehensive derivation of the intrinsic electronic phase diagram of the iron-oxypnictide superconductors in the normal state based on the analysis of the electrical resistivity $ρ$ of both LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ and SmFeAsO$_{1-x}$F$_x$ for a wide range of doping. Our data give clear-cut evidence for unusual normal state properties in these new materials. In particular, the emergence of superconductivity at low doping levels is accompanied by distinct anomalous transport behavior in $ρ$ of the normal state which is reminiscent of the spin density wave (SDW) signature in the parent material. At higher doping levels $ρ$ of LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ shows a clear transition from this pseudogap-like behavior to Fermi liquid-like behavior, mimicking the phase diagram of the cuprates. Moreover, our data reveal a correlation between the strength of the anomalous features and the stability of the superconducting phase. The pseudogap-like features become stronger in SmFeAsO$_{1-x}$F$_x$ where superconductivity is enhanced and vanish when superconductivity is reduced in the doping region with Fermi liquid-like behavior.

研究动机与目标

• 通过电阻率测量，推导铁基氧氢化物超导体在正常态下的本征电子相图。
• 研究异常正常态输运行为与超导性出现之间的关联。
• 比较LaFeAsO₁₋ₓFₓ与SmFeAsO₁₋ₓFₓ中电子性质的掺杂演化，以理解磁性与结构不稳定性的作用。
• 确定类赝能隙特征的强度与超导转变温度Tc之间的相关性。
• 澄清从非超导磁性态到超导态的转变是连续的还是第一阶的，尤其是在磁性非均匀性背景下的情况。

提出的方法

• 采用四探针法测量LaFeAsO₁₋ₓFₓ（0 ≤ x ≤ 0.2）和SmFeAsO₁₋ₓFₓ（0 ≤ x ≤ 0.1）单晶的电电阻率ρ(T)。
• 将ρ(T)数据归一化至ρ(296 K)，并采用线性与二次拟合（ρ(T) = ρ₀ + AT²）以提取低温行为，识别费米液体与异常行为区域。
• 通过与XRD和μSR数据对比，从电阻率异常中识别特征温度T_max与T_drop，分别对应结构相变与自旋密度波（SDW）相变。
• 利用WDX确认实际F掺杂水平，将电阻率特征的掺杂演化与超导Tc及磁序关联。
• 通过绘制T_max、T_drop、T_S（结构相变温度）与T_c随x变化的函数关系，构建相图，并比较La基与Sm基体系。
• 将低温电阻率上升行为作为载流子局域化与SDW能隙形成的标志，尤其在LaFeAsO₁₋ₓFₓ中表现显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁基氧氢化物超导体中，正常态电阻率ρ(T)如何随掺杂变化？这揭示了何种电子不稳定性？
• RQ2 ρ(T)中的类赝能隙异常在超导态中是否持续存在？其与母体化合物自旋密度波（SDW）态有何关联？
• RQ3 为何SmFeAsO₁₋ₓFₓ中Tc增强，尽管其电阻率异常更强？与LaFeAsO₁₋ₓFₓ相比有何差异？
• RQ4 从非超导磁性态到超导态的转变是连续的还是第一阶的？非均匀性在此过程中起何作用？
• RQ5 在高掺杂下费米液体行为的出现如何与超导性的抑制及异常输运相关联？

主要发现

• LaFeAsO₁₋ₓFₓ的电阻率在母体化合物中于T_max ≈ 160 K处出现明显极大值，并在T_drop ≈ 137 K处发生急剧下降，分别对应结构相变与SDW相变。
• 在轻度掺杂的LaFeAsO₁₋ₓFₓ（x ≤ 0.04）中，电阻率异常持续存在，其行为类似于赝能隙，低温电阻率上升表明载流子局域化与SDW能隙形成。
• 在较高掺杂（x = 0.15）下，ρ(T)在约150 K以下呈现费米液体行为（ρ ∝ T²），表明从异常金属态到常规金属态的交叉。
• 在SmFeAsO₁₋ₓFₓ中，类赝能隙异常强于La基化合物，且未观察到低温电阻率上升，表明SDW能隙减弱与电子屏蔽增强。
• 尽管电阻率异常更强，SmFeAsO₁₋ₓFₓ中的Tc显著增强，表明异常正常态行为与高Tc超导性之间存在直接关联。
• 相图与铜氧化物体系极为相似，超导穹顶在低掺杂区由类赝能隙异常包围，高掺杂区呈现费米液体行为，但超导转变似乎为第一阶或非均匀过程。