[论文解读] Thermal expansion and anisotropic pressure derivatives of T_c in Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 single crystals

S. L. Bud’ko, Ni Ni+3 more|ArXiv.org|Jan 13, 2009

Iron-based superconductors research被引用 9

一句话总结

本研究通过Ehrenfest关系，利用热容与热膨胀数据测量了Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂单晶的各向异性热膨胀及比热，以确定T_c的单轴压力导数。结果揭示，在钴掺杂样品中，T_c的面内与c轴压力导数符号相反，表明存在强烈的各向异性，且该各向异性随掺杂水平变化而反转，暗示正交相与四方相中电子响应存在显著差异。

ABSTRACT

Heat capacity and anisotropic thermal expansion was measured for Ba(Fe_{1-x}Co_x)_2As_2 (x = 0, 0.038, 0.074) single crystals. Thermal expansion is anisotropic and, in tetragonal phase, is significantly higher along the c-axis. Previously reported phase transitions, including possibly split structural and magnetic for x = 0.038 are clearly seen in both measurements. Uniaxial pressure derivatives of the superconducting transition temperature inferred from the Ehrenfest relation have opposite signs for in-plane and c-axis pressures for both Ba(Fe_{0.962}Co_{0.038})_2As_2 and Ba(Fe_{0.926}Co_{0.074})_2As_2, with the opposite sign of this anisotropy.

研究动机与目标

• 研究不同掺杂水平下Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂单晶的各向异性热膨胀与相变行为。
• 利用Ehrenfest关系，从热容与热膨胀数据中确定T_c的单轴压力导数。
• 探讨结构与电子各向异性如何影响单轴应变下的超导T_c。
• 阐明晶体对称性（正交相与四方相）、磁性/结构相变与钴掺杂铁砷化物中超导性之间的关系。

提出的方法

• 采用自 flux 法生长了Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0, 0.038, 0.074）单晶，并通过WDS与劳厄衍射进行表征。
• 采用PPMS-14仪器中的混合绝热弛豫法测量热容。
• 利用由无氧铜制成的电容式膨胀计测量热膨胀，应变沿a轴与c轴方向监测。
• 从膨胀计数据中提取各向异性热膨胀系数（αₐ, α_c, β）及相对变化量（Δa/a₀, Δc/c₀, ΔV/V₀）。
• 将Ehrenfest关系应用于热容与热膨胀数据，推断T_c的单轴压力导数（dT_c/dp_a 与 dT_c/dp_c）。
• 将结果与先前的静水压下电阻测量及中子衍射数据进行对比，以确保一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂在不同掺杂水平下，其热膨胀在a轴与c轴方向的各向异性如何变化？
• RQ2 在x = 0.038时，热膨胀与热容中观察到的两个异常峰的起源是什么？它们与结构与磁性相变有何关联？
• RQ3 在钴掺杂Ba122中，T_c的单轴压力导数在面内应变与c轴应变下有何差异？
• RQ4 为何在x = 0.038与x = 0.074之间，T_c的单轴压力导数符号发生反转？这对其电子结构各向异性有何启示？
• RQ5 晶体对称性（正交相与四方相）如何影响T_c对单轴应变的响应？

主要发现

• 热膨胀具有各向异性，在四方相中室温下α_c ≈ 3α_a，表明c轴晶格响应更强。
• 对于Ba(Fe₀.₉₆₂Co₀.₀₃₈)₂As₂，单轴压力导数为 dT_c/dp_a < 0 且 dT_c/dp_c > 0，表明T_c在面内压力下降低，而在c轴压力下升高。
• 对于Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂，单轴压力导数发生反转：dT_c/dp_a > 0 且 dT_c/dp_c < 0，与x = 0.038样品相比表现出相反的各向异性。
• 两个样品中T_c单轴压力导数符号相反，表明电子对应变的响应随掺杂水平发生反转，这与低温相中晶体对称性的变化密切相关。
• Ba(Fe₀.₉₂₆Co₀.₀₇₄)₂As₂的超导转变与Δα_a与Δα_c符号相反相关，证实了晶格的各向异性软化。
• 由单轴数据推断的静水压导数与直接的静水压下电阻测量结果不一致，可能源于测量误差及软性各向异性晶体中的泊松应力效应。