Electronic, structural, and magnetic properties of single crystalline pnictides: Thermodynamic studies down to ultra-low temperatures

• Applicants: Professor Dr. Christian Walter Dietrich Enss; Professor Dr. Rüdiger Klingeler
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2013 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 237770550

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im abgeschlossenen Projekt wurden dilatometrische Untersuchungen und Messungen der spezifischen Wärme an Eisen-basierten Supraleitern und verwandten Systemen durchgeführt, mit denen das Zusammenspiel der strukturellen, magnetischen und elektronischen Freiheitsgrade untersucht wurde. Messungen der spezifischen Wärme bis zu tiefsten Temperaturen, sowie der thermischen Ausdehnung, Magnetostriktion und des Youngschen Moduls mittels Kapazitätsdilatometrie an Einkristallen zeigen die Bedeutung struktureller und elastischer Veränderungen für das Verständnis unkonventioneller Supraleitung in La(Fe,Co)AsO, BaKFe2As2 und Fe(Se,S). Dabei standen neben der Erstellung der Phasendiagramme und der Bestimmung des Ordnungsparameters des tetragonalorthorhombischen Phasenübergangs die Messungen des Youngschen Moduls mittels einer 3-Punkt-Biegemethode im Vordergrund, die für diese Messungen etabliert wurde. Diese bestätigen das Schermodul C66 als weiche Mode des pseudo-ferroelastischen Phasenübergangs und ermöglichen die Untersuchung elektronisch nematischer Fluktuationen, die für La(Fe,Co)AsO erstmals gemessen wurden. Die quantitative Analyse zeigt eine Diskrepanz für La(Fe,Co)AsO im Vergleich zu Elastowiderstandsdaten, welche aktuelle Analysen in Frage stellt. Untersuchungen an Fe(Se,S) zeigen, dass Supraleitung und Orthorhombizität sich gegenseitig verstärken. Messungen der spezifischen Wärme an (K,Na)Fe2As2 und K(Fe,Rh)As2 bis zu sehr tiefen Temperaturen geben Informationen über die Entwicklung der supraleitenden Phase und den Ordnungsparameter. Insgesamt hat sich im Projektverlauf die Bedeutung qualitativ hochwertiger Proben bestätigt, da bei einer Vielzahl an Untersuchungen an 111 und Fe(Te,Se,S) Materialien, aber auch bei 122 Systemen, die Analyse der Ergebnisse durch Degradationseffekte und Defekte erschwert wurde. Dies hat zu einer langen Projektdauer beigetragen. Die sehr schönen und aussagekräftigen Ergebnisse insbesondere zu La(Fe,Co)AsO und Fe(Se,S) sind wiederum nur aufgrund der exzellenten Probenqualität der von Projektpartnern hergestellten Einkristalle möglich gewesen. Methodisch wurden neben dem Design und dem Aufbau eines magnetischen Kalorimeters für Messungen sehr kleiner Proben bei ultratiefen Temperaturen mehrere neue kapazitive Dilatometer eingesetzt und die 3-Punkt-Biegemethode zur Bestimmung des Schermoduls und letztlich der nematischen Suszeptibilität realisiert.

Publications

• Evidence of d-wave superconductivity in K1−xNaxFe2As2 (x = 0, 0.1) single crystals from low-temperature specific-heat measurements, Phys. Rev. B (rapid comm.) 87, 180507(R) (2013)
  M. Abdel-Hafiez, V. Grinenko, S. Aswartham, I. Morozov, M. Roslova, O. Vakaliuk, S. Johnston, D. V. Efremov, J. van den Brink, H. Rosner, M. Kumar, C. Hess, S. Wurmehl, A. U. B. Wolter, B. Büchner, E. L. Green, J. Wosnitza, P. Vogt, A. Reifenberger, C. Enss, M. Hempel, R. Klingeler, and S.-L. Drechsler
  
• Specific Heat of K0.71Na0.29Fe2As2 at Very Low Temperatures, Journal of Low Temperature Physics 175, 755-763 (2014)
  A. Reifenberger, M. Hempel, P. Vogt, S. Aswartham, M. Abdel-Hafiez, V. Grinenko, S. Wurmehl, S.-L. Drechsler, A. Fleischmann, C. Enss, R. Klingeler
  
• Unusual magnetotransport properties in a FeAs single crystal, Phys. Rev. B. 93, 205129 (2016)
  S. Khim, M. Gillig, R. Klingeler, S. Wurmehl, B. Büchner, C. Hess
  
• Nematicity in LaFeAsO1−xFx, Phys. Status Solidi B 254, 1600214 (2017)
  C. Hess, H. Grafe, A. Kondrat, G. Lang, F. Hammerath, L. Wang, R. Klingeler, G. Behr, and B. Büchner
  
• Nematicity and structure in LaFe1-xCoxAsO, JMMM 482, 50-53 (2019)
  L. Wang, S. Sauerland, F. Scaravaggi, R. Kappenberger, S. Aswartham, S. Wurmehl, A.U.B. Wolter, B. Büchner, R. Klingeler
  
• Development of a novel calorimetry setup based on metallic paramagnetic temperature sensors, Review of Scientific Instruments 91, 035118 (2020)
  A. Reifenberger, A. Reiser, S. Kempf, A. Fleischmann, C. Enss
  
• Growth of Transition Metal Dichalcogenides by Solvent Evaporation Technique, arXiv
  Dmitriy A. Chareev, Polina V. Evstigneeva, Dibya Phuyal, Gabriel Man, Hakan Rensmo, Alexander N. Vasiliev, Mahmoud Abdel-Hafiez
  
• Specific Heat of Holmium in Gold and Silver at Low Temperatures, arXiv
  Matthew Herbst, Andreas Reifenberger, Clemens Velte, Holger Dorrer, Christoph E. Düllmann, Christian Enss, Andreas Fleischmann, Loredana Gastaldo, Sebastian Kempf, Tom Kieck, Ulli Köster, Federica Mantegazzini, Klaus Wendt