[论文解读] Topological Semimetal Transport Modulated by Interstitial Fe in Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_{2+δ}As$_2$ Superconductors

Ze-Xian Deng, Qiang-Jun Cheng+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2026

Iron-based superconductors research被引用 0

一句话总结

本研究结合磁传输测量与第一性原理计算，展示 Ba(Fe1−x Cox)2+δAs2 薄膜中可调的拓扑半金属态，由间位 Fe 调控，并与超导性共存。报告了超高迁移率、电子-空穴平衡以及在高场下未饱和磁阻，最高达到 1206%。

ABSTRACT

Topological semimetals are renowned for exhibiting large, unsaturated magnetoresistance arising from ultrahigh carrier mobility and electron-hole compensation. However, such behaviors remain poorly understood in iron-based superconductors that have been recently recognized to harbor rich nontrivial topology. Here, we combine angle-resolved magneto-transport measurements with first principles calculations to reveal the emergence and tunability of topological semimetals in ferropnictide Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_{2+δ}As$_2$ epitaxial films, modulated by interstitial Fe. These states exhibit ultralow residual resistivity, coexisting high-mobility electron and hole carriers, and linear positive magnetoresistance below 110 K. Remarkably, the magnetoresistance becomes more pronounced when the magnetic field is applied parallel to the film plane, reaching an unsaturated 1206% at 56 T. Furthermore, superconductivity persists in these ferropnictide films, establishing them as a tunable platform for investigating the interplay among electron correlation, topology, and superconductivity.

研究动机与目标

• 理解间位 Fe 如何影响铁基超导体的拓扑与输运的动机。
• 在 Ba(Fe1−x Cox)2+δAs2 外延薄膜中展示拓扑半金属态的出现与可调性。
• 探索在这些铁基荧光体薄膜中超导性与拓扑输运的共存。
• 研究载流子迁移率与磁阻对磁场取向及温度的响应。

提出的方法

• 将角分辨磁传输测量与第一性原理计算相结合，以识别拓扑半金属态。
• 表征 Ba(Fe1−x Cox)2+δAs2 外延薄膜中的剩余电阻率、载流子迁移率和电子-空穴补偿。
• 在不同场向下测量磁阻，包括平行场高达 56 T 的取向。
• 利用第一性原理理论把间位 Fe 含量与电子结构拓扑联系起来。
• 评估超导性与拓扑输运的共存。
• 分析低于 110 K 时的线性正磁阻行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 间位 Fe 原子是否调控 Ba(Fe1−x Cox)2+δAs2 中拓扑半金属态的出现？
• RQ2 与这些拓扑态相关的输运特征（迁移率、补偿、磁阻）有哪些？
• RQ3 场取向如何影响磁阻及其饱和行为？
• RQ4 在存在拓扑半金属输运时，超导性是否仍然存在？
• RQ5 第一性原理计算如何印证实验观测？

主要发现

• Ba(Fe1−x Cox)2+δAs2 薄膜中拓扑半金属输运出现且可被间位 Fe 调控。
• 薄膜表现出极低的剩余电阻率，并实现高迁移率电子与空穴载流子的共存。
• 在 110 K 以下出现线性正磁阻。
• 磁阻在平行磁场作用下更显著，在 56 T 条件下达到 1206%（未饱和）。
• 这些铁基派克薄膜仍保持超导性，使研究电子相关性、拓扑与超导性之间的耦合成为可能。