6
Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe- containing cuprate superconductor Fe 0:5 Cu 0:5 SrBaYCu 2 O 71d Z.A. Ren * , G.C. Che, H. Xiong, K.Q. Li, Y.S. Yao, D.N. Zheng, Y.M. Ni, S.L. Jia, C. Dong, H. Chen, J.L. Shen, Z.X. Zhao National Laboratory for Superconductivity, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 603, Beijing 100080, People's Republic of China Received 30 April 2001; accepted 10 June 2001 by Prof. Z.Z. Gan Abstract In this paper, we demonstrate the coexistence of ferromagnetism and superconductivity in a new cuprate superconductor Fe 0:5 Cu 0:5 SrBaYCu 2 O 71d synthesized under high pressure. This compound has a 1212-type structure, with tetragonal sym- metry, lattice parameters a 3:8443; c 11:532 A and S:G: P4=mmm: This ferromagnetic superconductor displays a magnetic transition temperature T M 150 K and a superconducting transition temperature T C 77 K: The occurrence of ferromagnetism in this superconductor can be explained by Dzyaloshinsky±Moriya D±M)-type superexchange interaction. q 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PACS: 74.25.Ha; 74.70.-b; 74.72.-h Keywords: A. Superconductivity; C. X-ray diffraction; A. Ferromagnetism A new class of cuprate superconductor that exhibits the coexistence of magnetism and superconductivity, has been found in the hybrid ruthenate±cuprates, Ru-1212 type compound RuSr 2 LnCu 2 O 8 [1±11] and Ru-1222 type RuSr 2 Ln 11x Ce 12x )Cu 2 O 10 Ln Sm; Eu and Gd) [1±3], and has attracted a great deal attention, although there is a controversy as to whether Ru-1222 is a bulk SC [8]. RuSr 2 GdCu 2 O 8 exhibits bulk superconductivity T C , 46 K) microscopically coexisting with ferro- magnetism T M , 132 K),for these cuprate magnetic super- conductors T M /T C , 4 are contrary to those observed in the intermetallic compound systems RRh 4 B 4 , RMo 6 O 8 [12] and RNi 2 B 2 C [13]. In these three compounds, superconductivity appears at a relatively high temperature T C , 2-15 K), while antiferromagnetic AFM) order appears at a lower temperature except for DyNi 2 B 2 C) and the typical ratio of T M /T C is about 0.1-0.5 [2,3]. Here, we demonstrate that a new Fe-containing 1212 type cuprate superconductor Fe 0:5 Cu 0:5 SrBaYCu 2 O 71d Fe,Cu)-1212) also shows the coexistence of ferro- magnetism and superconductivity, with magnetic transition temperature T M 150 K and superconducting transition temperature T C 77 K T C zero 40 K: Superconducting Fe,Cu)-1212 samples were prepared by a procedure that consists of three steps. At ®rst, predried starting materials of Y 2 O 3 , BaCO 3 , SrCO 3 , Fe 2 O 3 and CuO powders of 99.99% purity with a stoichiometric composition of Fe 0.5 Cu 0.5 )SrBaYCu 2 O y were mixed, ground thoroughly and calcined twice at 9258C for 60 h in air with intermediate grinding. X-ray diffraction analysis shows no trace of secondary phase within the resolution of the instrument. Then, the resulted samples were reduced at 8058C for 40 h and cooled down to room temperature at the rate of 1008C/h in Ar atmosphere. Finally the reduced samples were oxygenated under a high pressure of 6 GPa at 10008C for 0.5 h by the addition of 5 wt% KClO 4 . The samples were quenched from high temperature by cutting off the furnace power before releasing the high pressure. The samples obtained in these three stages were labeled as sample A, B and C, respectively. All these samples were characterized by powder X-ray Solid State Communications 119 2001) 579±584 0038-1098/01/$ - see front matter q 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII: S0038-109801)00299-X PERGAMON www.elsevier.com/locate/ssc * Corresponding author. Tel./fax: 186-10-82649188. E-mail address: [email protected] Z.A. Ren).

Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

  • Upload
    za-ren

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

���������� � �� ������ ��� ��������������� �� � ��� ����������� ������ ������������ ������������������������

� ! "��#$ % � �&�$ ' (��� $ ) * +�$ � � ���$ , - �&�� $ � . -�$ � + /��$� ,�� $ ' �&��$ / + �&��$ � ( �&��

�������� ������� �� ���������������� ��������� �� �������� ������� ������� �� �������� ���� ��� !"� ���#��$ %!!!&!�

������'� (������ �� �����

"������ 0� !���1 ���23 ������ 2� /��� ���2 4� 5�� � � %��

��������

6� �&�� �����$ �� ����������� �&� ��������� � ������ ������ ��� ��������������� �� � ��� ������ ������������

������������������������ ����&���7�� ����� &� & �������� 8&�� ������� &�� � 2�2������ ��������$ ���& ����� ���1 ����

�����$ 1����� ���������� � � 0�9::�0�� � � 22��0��� �! ��� ��%� � 5:����� 8&�� ������ ���� ������������ ����1��� �

�� ���� ���������� ����������� ). � 2�� ) ��� � ������������ ���������� ����������� )� � �� )� 8&� ������� �

������ ������ �� �&�� ������������ �� 4� ���1����� 4� ,7��1��&���;�<.����� =,<.>����� �������&�� � ����������

� ���2 ?1������ ����� +�� !11 �� &�� ��������

��� @ �: �� '�3 �: �� �43 �: �� �&

*��+���, ! ���������������3 � (���� ��������3 ! ������� ������

! ��� 1��� � ������ ������������ �&�� ��&�4��� �&�

��������� � �� ������ ��� ���������������$ &�� 4���

���� �� �&� &�4��� ���&�����<�������$ "��2�2� ����

������� "����+�����9 A2<22B ��� "��2��� ����

"����=+�2����2��>����2� =+� � ��� ?� ��� %�> A2<0B$

��� &�� �������� � ���� ���1 ���������$ �1�&�� & �&��� �� �

���������� �� �� �&��&�� "��2��� �� � 4�1; �� A9B

"����%�����9 ��&�4��� 4�1; ���������������

=)� � :C )> ���������11� �������� ���& �����

�� ������ =). � 20� )>$�� �&��� ������ �� ���� ������

�������� ).D)� � : ��� ������� �� �&��� �4������ �� �&�

���������11� ������� ������� ""&:�:$ ".�C�9 A2�B ���

"-����� A20B 6� �&��� �&��� ��������$ ���������������

������� �� � ��1�����1� &� & ����������� =)� � ��2� )>$

�&�1� ���������� ���� =!�.> ����� ������� �� � 1����

����������� =����� �� ,�-�����> ��� �&� �����1 ����� �

).D)� �� �4��� � 2�� � A�$0B

'���$ �� ����������� �&�� � ��� ����������� 2�2�

���� ������ ������������ ������������������������

==��$��>�2�2�> �1�� �&��� �&� ��������� � �����

�� ������ ��� ���������������$ ���& �� ���� ����������

����������� ). � 2�� ) ��� ������������ ����������

����������� 8� � �� ) �)��7���� � :� )�������������� =��$��>�2�2� ����1�� ���� �������� 4�

� �������� �&�� ������� � �&��� �����

!� E���$ �������� ������� �������1� � ���0$ ����0$

����0$ ����0 ��� ��� ������� � FF FFG ������ ���& �

����&������� ���������� � =��� ���� �>���������� ����

�����$ ����� �&���� &1� ��� �1���� ���� �� F���� ��

C� & �� ��� ���& ������������ ������ (���� ��������

���1���� �&��� �� ���� � �������� �&��� ���&�� �&�

����1����� � �&� ����������

8&��$ �&� ����1��� ����1�� ���� ������ �� 9���� ��

:� & ��� ��1�� ���� �� ���� ����������� �� �&� ���� �

2����D& �� !� ������&���

����11� �&� ������ ����1�� ���� ��� ������ ����� �

&� & �������� � C %5� �� 2����� �� � � & 4� �&� ��������

� � ��G )�1�: 8&� ����1�� ���� H���&�� ��� &� &

����������� 4� ����� � �&� ����� ����� 4����

��1����� �&� &� & ��������

8&� ����1�� �4������ �� �&��� �&��� ��� �� ���� 1�4�1��

�� ����1� !$ � ��� �$ ���������1�

!11 �&��� ����1�� ���� &�������7�� 4� ������ (����

��1�� ����� ������������� 22F =���2> ��F<�9:

��09�2�F9D�2DI � ��� ���� ������ � ���2 ?1������ ����� +�� !11 �� &�� ��������

566@ ���09�2�F9=�2>���FF�(

���� ���� �1������ ��D1����D��

# ������������ ���&�� 8�1 D��@ �9C�2��9�C:F299

-.���� ������, ���7&���J�� ��&� � � =� ! "��>

Page 2: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

�������� =(",> ���1���� �� � .(529!�'� ������

������ ���& ��)����������� 8&� ����� � �� ����7�����

��� �1�����1 ��������� ���� �������� ���� � ,���*K6,

�� ��������� ��� �������� �������4� ��&��H�� ������

����1�

�� 2 =�����>$ �&���� �&� (", �������� � ����1� !$ �

��� �$ �������� �&�� �&��� ����1�� &��� �� �������1 �����

���� ���� ��� ��� �����&��� 6� ����� �� ��E�� �&�� �&�

�������� � �&��� ����1�� �� � 2�2� ����$ �&� �������� �

����1� ! ��� ���������� ������ �� �&� �������� ����1

� �&� 2�2� ���� ������� =��$��>��������� A2:B ��� �&�

��� �� ������ �� � � � ����� � =��� ���� �>�����������

/��� (�� �� ��� 0 ���� ���� �������������� %%1 23!!%4 56175&8�9�

�� 2 (", �������� � =��$��>�2�2� ����1� !$ �$ ��� � =�����> ��� "�����1� ��E������ � =��� ���� �>���������� �� =����1� !> L�M

���������� �����������1 ����$ �&� ��1�� 1��� ���������� �&� �1�1���� �������$ �&� ���;��� �� �&� 4����� ��������� �� �&� �1�1���� ���;

�������� ��� �&� ������� 4������ �4������ ��� �1�1���� ����������� �� �&��� �� �&� ����1�

�� � 8����1 "<8 ����� � ����1� �

Page 3: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

A2�B =����E�� 4� 8%! ����1� ��4��H����1�> (���� �����

���� ��������� ���� � �� ��� 2� �� 2��� ���� �11���� !

�������� ���� ��� ������� ���& � ������ ���� � � ���=�� ��> ��� � ����1�� ���� � � � ����� ��� "�����1�

��� ���� ���� ���� �� �&� �������� ��������� �1�1������

��� ��E������� 8&� ��E��� (", ������� � =��$��>�2�2�

�� �&��� �� �� 2

8&� ��E��� 1����� ���������� � =��$��>�2�2� ���$ � �0�9::�0�� � � 22��0��� �!$ ��� ��%� � 5:����� 8&� �����

���� �� ����1�� �� �&�� � "��2�2� �� ���� ��4������� �&�

&��� �� =�� =2> ���� � "�2�0 �������> ��� 4��& ��� ��

4���1 �1��� ����� ��� ������ ������11� 8&� �������� �� 4�

������ �� ��� ���� �1���� ��������� 4� ��=��>�� 1�����

��� �&� �� ���� =��$��>< � 1����� 8&� � ���� ���

1����� 4������ �&� ��� ������������ ���� �1����

8&� ���������� E���� (������ �(�� � :�0FG ���

(��� � 2�99G���;� �� ���4� � �&� 2�2� ���� ��������

� =��� ���� �>���������� ��

���& ����1�� ! ��� � �� ��� ���������� ��� ��&�4��

������ ���� 4�&����� "�������� ����������� �&��� �&��

�&� ����������� ��������� � ��������� � ����1�� ! ���

� &�� � ������������1�;� 4�&�����$ �&�1� ����1� � ��

������������ ���& )�������� � �� ) �)��7���� � :� )��� �&��� �� �� � �� ��� ��� �� ����7����� ����� �

����1� � ��� �&��� �� �� 0 8&� 4�&����� � �� ��� ���

�����$ �&�& �� �4�����1� ������� ��� �&��� � "��2�2�

/��� (�� �� ��� 0 ���� ���� �������������� %%1 23!!%4 56175&8 �92

�� 0 �����E�1����1�� =���> ��� E�1����1�� =��> ,� �� ����7����� ����� � ����1� � ��� ���� ��� �4������ 4� 7����E�1� ��1�� �&�

����1� �� : )$ �&�� ���1��� �� �������1 E�1� � 2� ��$ ��� ��4��H����1� ������ �� �� 0�� ) �� ���� ��� �4������ 4� ���1��� �� �������1

E�1� � 2� ��$ �&�� ��1�� �&� ����1� �� : ) ��� ��4��H����1� ������ �� �� 0�� )

�� : 6���&����1 ,� �� ����7����� 1���� � ����1� � �� ���$ 2C� ��� �� ) =��� �����1�� ����1� �� �� ) =:>>

Page 4: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

��� "��2��� A�$0$FB$ �&��� �&�� �&� ����1� &�� 4�1; ������

���������� A2CB !����� �� �� 0$ ���� �����1 ����

�&����1 �� ����7����� 1���� � ����1� � �� ���$ 2C�$ ���

�� ) &��� 4��� ���� �� �&��� �� �� : ==2>$ =�> ��� =0>>

8&� �������� � ���11 �������� �� ����7����� �� 2C� ���

�� ) �������� �&�� �&� ����1� &�� ���; ������ ������ ���

�&� 1��� �� �� ) 1���1� �&��� �&� ��������� � �����

�� ������ ��� ��������������� 8&� ���; �� 2�� ) ��

�� 0 �� �����4���� �� � ����� ���������� ���� �����

���������� 8&� ������ ������ �� &� 4� ������ 4�

,7��1��&���;�<.����� ���� �������&�� � ���������� �

��<�<�� ��� ��<�<�� �� =��$��><� �1���� A�$0B$

�&�& ����� �&� ����� �� ��� ��� � �&��� ��� ���1 ��������

���& �� �� 1� !� � ����1�$ �&� ,<. ���� �������&�� �

���������� ���� �&� �. ����� 8� ��������� �&� �� ����

���������� ����������� ).$ �� &��� �������� ����&����1

�� ����7����� 1��� ������������ �� ������� ������������

���� �*K6, �� ��������� ��� N�.$ ���������1�$ ���

�1�1���� �&� �������� �� ����7����� 9� � �&���

1����$ 4��& � �&�� �&�� �&� ���� ����1� � ). �4���

2�� )

!����1�� ����������� � ����1� � �� 2��$ ���$ ���$ 0��$

C�� ��� F���� �� ��� &��� 4��� ���� �� ����� �&�� �&�

��������� � ������ ������ ��� ��������������� ����

��� ��� ��� �&��� �� �� ����� !� 2�� )$ �� ���� �&��

�&� �� ���� ���������� ���; ���������� �����11�$ ������

���������� ��� ������ ������ ��������$ �����������

�� ��� �� ���� ���������� ����������� ���� ��� &�� �

�� ��E���1� �&�1� �������� �&� �����1�� �����������

O&�� �&� �����1�� ����������� �� C���� �� &� &��$ �&�

����1� 4����� ����1���� ���& ������ �������1�;�

4�&����� ����1�� �� �&�� � ����1� ! 8&� �����1 ����&����1

�� ����7����� 1��� �� �� ) � �&� ����1� �����1�� �� ������� �&��� �� �� : =:> 8&� �� ����7����� ���� � �����

����������� �� 4� ���� �� �� C 8&� &�� � � �� ������

��� ��������������� �� �&� �����1�� ����1�� �� �����4����

�� �&� &�� � � ��� �� ������� ��� �&� 1��1 �������� 6�

=��� ���� �>������������ ����1��$ � �&��� �� �� �����

��;�� �1��$ �����41� ������������ �������� �&���

�&��1� 4� �������0���� =�� ������0���� $ ������0����>$

4�� �&� ��������������� � �11 �&��� �������� ����� 4�

��������� 4� �����1�� ��������� �� ��& � 1�� �����������

8&�� �����1� �&�� �&� ��������������� � ����1� � ���� ���

��� ��� �&� �������� �&���

6� ����� �� ������� ��� �&� ��� � ���1��� �� ���� E�1�

�� ��������������� ��� �� ������$ �&� �� ����7�����

����� � ����1� � ��� �����1�� ����1� � �� ����� �����

������� ���1��� �� ���� E�1� &��� 4��� ���� 8&� �����1

/��� (�� �� ��� 0 ���� ���� �������������� %%1 23!!%4 56175&8�9�

�� � 8����1 �� �� ����7����� ����� � ����1� � ����� ������� ���1��� E�1� � : � 2�� 2��$ ���$ 2���$ ����$ ��� ���� ��

Page 5: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

97) ����� ��� �&��� �� �� � � ��� C$ ���������1� �� �

1���1� �&��� �&�� �&� �� ���� ���������� ���; �� 2�� )

4����� �����$ �� ����7����� �� 1�� ����������� 4�����

����� ��$ ��������������� 4����� ���;��$ ��� ������

������� ���������� ����������� ����� ���� ��� &�� �

�� ��E���1� ���& �&� �������� ���1��� �� ���� E�1�

8&� ������� �� �&� ��������������� �� �����4���� �� �&�

�����4���;�� ��� 4� �&� ���������� 4������ �� ����7��

���� ��� ���������������$ 4�� ��� � ���������� ��� �

�&� ���1��� �� ���� E�1�$ 4����� ��& � ���11 ���1���

E�1� ����� ������� ��������������� ��� �&� �����1��

����1�$ �&�� �������� �&� ���1��� E�1�$ �&� �� ����

���������� ���; �� 2�� ) 4����� 1���$ ��� �&� �&��� �

�&� ����� ����� &� & ���1��� E�1� �� ����1�� �� �&�� � �&�

�������1�� ����1�

8&��� ����1�� ������� �&�� �&� ������� ��� ����������

��� � ������ ������ ��� ��������������� ���

���������� 4� �&� ��� �� ������ ��� �&� 1��1 ��������

� �&� ����1��$ ��� �&� ������ ������ ��� ������

���������� ��� ��� ��� �&��� �� �� �����

6� ��1�����$ �� &��� ������11� �������� � ���

����������� ������ ������������ =��� ���� �>������

������� 6� ����1��� �&� ��������� � ������ ������

��� ���������������$ ���& �� ���� ���������� �����������

). � 2�� ) ��� ������������ ���������� �����������

)� � �� )� 8&� ������ ������ �� �����4���� ��

,7��1��&���;�<.����� ���� �������&�� � ����������

����������������

8&�� ������& �� ��������� 4� �&� .������� � ����� ���

8�&��1� � � �&��� =-)�"���%2FFF�C:C�2>

���������

A2B + ����������$ O O�����$ ' � �����$ 5&���� � ��: =2FF�>

2�2

A�B 6 ��1���$ K !��$ � +���$ � .�11�$ 5&�� "�� � �� =2FF�>

"00�:

A0B 6 ��1���$ K !��$ � +���$ � .�11�$ 5&���� � 00: =����>

2:2

A:B � ����&���$ / + 8�11��$ �& -����������$ �� �1 $ 5&�� "��

� �F =2FFF> 2:�FF

A�B ! ���������$ ? O��;1��$ ! ������$ / + 8�11��$ 5&�� "�� �

C� =2FFF> 2��F�

ACB , / 5��� 1�$ / + /�11��$ � % O�1;��$ �� �1 $ 5&�� "�� � �F

=2FFF> "22C�F

A�B � �&�������$ / , /�� �����$ ' �&�;��$ �� �1 $ 5&�� "�� �

C2 =����> C:�2

/��� (�� �� ��� 0 ���� ���� �������������� %%1 23!!%4 56175&8 �90

�� C 8����1 �� �� ����7����� ����� � ����1� � �����1�� �� ����� ����� ������� ���1��� E�1� � : � 2��� ����$ ��� ���� ��

Page 6: Coexistence of magnetism and superconductivity in a new Fe-containing cuprate superconductor (Fe0.5Cu0.5)SrBaYCu2O7+δ

A9B � ����&���$ / + 8�11��$ ? ���P&��$ �� �1 $ 5&�� "�� � C2

=����> "2:FC�

AFB 6 ��1���$ K !��$ � "��&$ � 8��44�$ 5&���� � 022 =2FFF>

2C0

A2�B ? � �����$ 6 ��1���$ 5&�� "�� � �� =2FF9> 2:���

A22B O , 5�;���$ " O�&�$ ! � �&�;$ 5&�� "�� +��� 90 =2FFF>

0�20

A2�B . � .��1�$ � ���&�� =?�� >$ ��������������� �� 8������

���������$ ��1 66$ ����� ��$ ���1��$ 2F9�

A20B ' ?���;�$ ' 8�;� �$ " / ����$ �� �1 $ 5&�� "�� � �� =2FF:>

C:�

A2:B �&��� )��4�$ ?�Q� ����$ 8�;�&��� !;��$ �� �1 $ 5&�� "�� � C�

=2FFF> C9�

A2�B / . 8������$ 5 ���4���$ 5 � .��1�$ �� �1 $ 5&�� "�� � 0�

=2F99> �:�9

A2CB � �&�$ O / �������$ . �&�� $ �� �1 $ 5&�� "�� � �: =2FFC>

C��C

/��� (�� �� ��� 0 ���� ���� �������������� %%1 23!!%4 56175&8�9: