Supraleitung und Ferromagnetismus in hochkorrelierten zweidimensionalen Phosphiden und Arseniden der 3d-Übergangsmetalle

• Applicant: Professor Dr. Dirk Johrendt
• Subject Area: Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
• Term: from 2008 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 91691984

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die Eisenpnictide zeigen, dass Hochtemperatursupraleitung nicht auf Kupferoxide beschränkt ist. In beiden Stoffklassen entsteht unkonventionelle Supraleitung an der Grenze zu magnetischer Ordnung. Mit den magneto-strukturellen Eigenschaften von BaFe2As2 mit ThCr2Si2-Struktur und der Entdeckung von Supraleitung in Ba1-xKxFe2As2 haben wir die Gruppe der ’122-Supraleiter’ begründet. Wie in den Kupferoxiden wird hier die magnetische Ordnung zunächst unterdrückt, bevor Supraleitung bei Temperaturen bis zu 38 K eintritt. Unsere Arbeiten über Ba1-xKxFe2As2 haben international eine Vielzahl von Untersuchungen ausgelöst, auf deren Ergebnissen substantielle Teile des heutigen Kenntnisstandes über die neuen Supraleiter beruhen. Die Idee zu supraleitenden Verbindungen mit ThCr2 Si2 -Struktur wurde im Projektantrag formuliert und bereits während der Begutachtung realisiert. Wegen dieses international viel beachteten Erfolges haben wir den Schwerpunkt während des Förderzeitraums stärker auf diese Verbindungsklasse gelegt (Teilprojekt B) als ursprünglich vorgesehen. Nur so waren wir in der Lage, in dem sehr kompetetiven Umfeld weiterführende Untersuchungen durchzuführen und zeitnah zu publizieren. Die starke Kopplung von Magnetismus und Struktur spielt eine Schlüsselrolle für das Verständnis der Eisenarsenide. Daher haben wir unsere Untersuchungen zunächst auf magnetostrukturelle Phasenumwandlungen der nicht-supraleitenden Ausgangsverbindungen konzentriert. Die Existenz dieser Umwandlung war ein wichtiger Hinweis darauf, dass Supraleitung induzierbar ist. In SrFeAsF mit ZrCuSiAs-Struktur fanden wir die Strukturverzerrung und die antiferromagnetische Ordnung. Unmittelbar nach der Publikation unserer Ergebnisse zeigte eine chinesische Gruppe, dass SrFeAsF durch Substitution supraleitend wird und Übergangstemperaturen bis zu 56 K erreicht. Die analoge Phasenumwandlung haben wir auch in SrFe2As2 und EuFe2As2 mit ThCr2Si2-Struktur nachgewiesen und genauer analysiert. Der Exponent des strukturellen Ordnungsparameters skaliert mit der Umwandlungstemperatur und nähert sich dem einer Umwandlung nach der ersten Ordnung an, erreicht ihn jedoch nicht. Unsere Interpretation wurde später durch Neutronenstreuxperimente bestätigt. Der Frage nach der Koexistenz von Supraleitung und antiferromagnetischer Ordnung in Ba1-xKxFe2As2 (x ≤ 0.2) sind wir mit der Kombination aus Pulverdiffraktometrie und Mössbauer-Spektroskopie (Kooperation mit R. Pöttgen, Münster) nachgegangen. Unsere polykristallinen Proben zeigen mikroskopische Koexistenz, während andere Gruppen an Einkristallen Phasenseparationen fanden. Inzwischen haben wir in einer neuen Studie mittels µSR mikroskopische Koexistenz zweifelsfrei nachgewiesen und gezeigt, dass Antiferromagnetismus und Supraleitung in Ba1-xKxFe2As2 um die gleichen Elektronen konkurrieren. Mit der Untersuchung struktureller Aspekte im Zusammenhang mit der Supraleitung in BaFe2(As1-xPx )2 konnten wir zeigen, dass die Substitution mit Phosphor nicht nur das Volumen im Sinne eines ’chemischen Druckes’ verringert, sondern dass subtile Strukturänderungen auftreten, die mit dem Verschwinden des magnetischen Moments und dem Auftreten der Supraleitung offenbar eng verknüpft sind.

Publications

• Structural and magnetic phase transitions in the ternary iron arsenides SrFe2 As2 and EuFe2 As2J. Phys.: Condens. Matter 2008, 20, 452201
  M. Tegel, M. Rotter, V. Weiß, F. Schappacher, R.Pöttgen, D. Johrendt
  
• Synthesis, crystal structure and spin density wave anomaly of SrFeAsF. Europhys. Lett. 2008, 84, 67007
  M. Tegel, S. Johansson, V. Weiß, I. Schellenberg, W. Hermes, R. Pöttgen, D. Johrendt
  
• Competition of magnetism and superconductivity in underdoped Ba1-x Kx Fe2 As2. New J. Phys. 2009, 11, 025014
  M. Rotter, M. Tegel, I. Schellenberg, F. M. Schappacher, R. Pöttgen, J. Deisenhofer, A. Gunther, F. Schrettle, A. Loidl, D. Johrendt
  
• Phys. Rev. B 2009, 79, 064504
  Y. Su, P. Link, A. Schneidewind, T. Wolf, P. Adelmann, Y. Xiao, M. Meven, R. Mittal, M. Rotter, D. Johrendt, T. Brückel, M. Loewenhaupt
  
• Phys. Rev. B 2009, 79, 064511
  M. Zbiri, H. Schober, M. R. Johnson, S. Rols, R. Mittal, Y. Su, M. Rotter, D. Johrendt
  
• Phys. Rev. B 2009, 79, 144516
  R. Mittal, S. Rols, M. Zbiri, Y. Su, H. Schober, S. L. Chaplot, M. Johnson, M. Tegel, T. Chatterji, S. Matsuishi, H. Hosono, D. Johrendt, T. Brueckel
  
• Phys. Rev. B 2009, 79, 155118
  J. Fink, S. Thirupathaiah, R. Ovsyannikov, H. A. Durr, R. Follath, Y. Huang, S. de Jong, M. S. Golden, Y. Z. Zhang, H. O. Jeschke, R. Valenti, C. Felser, S. D. Farahani, M. Rotter, D. Johrendt
  
• Physica C 2009, 469, 332
  D. Johrendt, R. Pöttgen
  
• Different response of the crystal structure to isoelectronic doping in BaFe2 (As1-x Px )2 and (Ba1-x Srx )Fe2 As2. Phys. Rev. B 2010, 82, 014513
  M. Rotter, C. Hieke, D. Johrendt
  
• Phys. Rev. B 2010, 81, 014529
  C. Kant, J. Deisenhofer, A. Gunther, F. Schrettle, A. Loidl, M. Rotter, D. Johrendt
  
• Phys. Rev. B 2010, 81, 235121
  A. V. Lukoyanov, S. L. Skornyakov, J. A. McLeod, M. Abu-Samak, R. G. Wilks, E. Z. Kurmaev, A. Moewes, N. A. Skorikov, Y. A. Izyumov, L. D. Finkelstein, V. I. Anisimov, D. Johrendt
  
• Physica C 2010, 470, S33
  S. L. Drechsler, F. Roth, M. Grobosch, R. Schuster, K. Koepernik, H. Rosner, G. Behr, M. Rotter, D. Johrendt, B. Büchner, M. Knupfer
  
• Solid State Commun. 2010, 150, 383
  M. Tegel, C. Löhnert, D. Johrendt
  
• Structure-property relationships of iron arsenide superconductors. J. Mater. Chem. 2011, 21, 13726
  D. Johrendt