Universal behavior of the upper critical field in iron-based superconductors

Abstract

The newly discovered iron-based high temperature superconductors have demonstrated rich physical properties. Here we give a brief review on the recent studies of the upper critical field and its anisotropy in a few typical series of the iron-based superconductors (FeSCs). In spite of their characters of a layered crystal structure, all the FeSCs possess an extremely large upper critical field and a weak anisotropy of superconductivity, being unique among the layered superconductors. These particular properties indicate potential applications of the FeSCs in the future. Based on the experimental facts of the FeSCs, we will discuss the possible mechanisms of pair breaking in high magnetic fields and its restrictions on the theoretical analysis of the superconducting pairing mechanisms.

Keywords

iron-based superconductors / upper critical field / high magnetic field

References

[1] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(11): 3296

[2] X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature, 2008, 453(7196): 761

[3] G. F. Chen, Z. Li, D. Wu, G. Li, W. Z. Hu, J. Dong, P. Zheng, J. L. Luo, and N. L. Wang, Phys. Rev. Lett., 2008, 100(24): 247002

[4] H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett., 2008, 82(1): 17009

[5] Z. A. Ren, W. Lu, J. Yang, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, G. C. Che, X. L. Dong, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Chin. Phys. Lett., 2008, 25(7): 2215

[6] C. Wang, L. Li, S. Chi, Z. Zhu, Z. Ren, Y. Li, Y. Wang, X. Lin, Y. Luo, S. Jiang, X. X. Xu, G. Cao, and Z. A. Xu, Europhys. Lett., 2008, 83(6): 67006

[7] M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrendt, Phys. Rev. Lett., 2008, 101(10): 107006

[8] A. S. Sefat, R. Jin, M. A. McGuire, B. C. Sales, D. J. Singh, and D. Mandrus, Phys. Rev. Lett., 2008, 101(11): 117004

[9] F. C. Hsu, J. Y. Luo, K. W. Yeh, T. K. Chen, T. W. Huang, P. M. Wu, Y. C. Lee, Y. L. Huang, Y. Y. Chu, D. C. Yan, and M. K. Wu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008, 105(38): 14262

[10] M. H. Fang, H. M. Pham, B. Qian, T. J. Liu, E. K. Vehstedt, Y. Liu, L. Spinu, and Z. Q. Mao, Phys. Rev. B, 2008, 78(22): 224503

[11] J. H. Tapp, Z. Tang, B. Lv, K. Sasmal, B. Lorenz, P. C. W. Chu, and A. M. Guloy, Phys. Rev. B, 2008, 78(6): 60505

[12] X. C. Wang, Q. Q. Liu, Y. X. Lv, W. B. Gao, L. X. Yang, R. C. Yu, F. Y. Li, and C. Q. Jin, Solid State Commun., 2008, 148(11-12): 538

[13] D. R. Parker, M. J. Pitcher, P. J. Baker, I. Franke, T. Lancaster, S. J. Blundell, and S. J. Clarke, Chem. Commun., 2009, (16): 2189

[14] J. J. Guo, S. F. Jin, G. Wang, S. C. Wang, K. X. Zhu, T. T. Zhou, M. He, and X. L. Chen, Phys. Rev. B, 2010, 82(18): 180520

[15] M. H. Fang, H. D. Wang, C. H. Dong, Z. J. Li, C. M. Feng, J. Chen, and H. Q. Yuan, Europhys. Lett., 2011, 94(2): 27009

[16] A. Krzton-Maziopa, Z. Shermadini, E. Pomjakushina, V. Pomjakushin, M. Bendele, A. Amato, R. Khasanov, H. Luetkens, and K. Conder, J. Phys.: Condens. Matter, 2011, 23(5): 052203

[17] A. F. Wang, J. J. Ying, Y. J. Yan, R. H. Liu, X. G. Luo, Z. Y. Li, X. F. Wang, M. Zhang, G. J. Ye, P. Cheng, Z. J. Xiang, and X. H. Chen, Phys. Rev. B, 2011, 83(6): 060512

[18] H. D. Wang, C. H. Dong, Z. J. Li, Q. H. Mao, S. S. Zhu, C. M. Feng, H. Q. Yuan, and M. H. Fang, Europhys. Lett., 2011, 93(4): 47004

[19] N. P. Armitage, P. Fournier, and R. L. Greene, Rev. Mod. Phys., 2010, 82(3): 2421

[20] I. I. Mazin, D. J. Singh, M. D. Johannes, and M. H. Du, Phys. Rev. Lett., 2008, 101(5): 57003

[21] K. Seo, B. A. Bernevig, and J. P. Hu, Phys. Rev. Lett., 2008, 101(20): 206404

[22] C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, H. Kito, M. T. Fernandez-Diaz, T. Ito, K. Kihou, H. Matsuhata, M. Braden, and K. Yamada, J. Phys. Soc. Jpn., 2008, 77(8): 083704

[23] H. Okabe, N. Takeshita, K. Horigane, T. Muranaka, and J. Akimitsu, Phys. Rev. B, 2010, 81(20): 205119

[24] Q. Huang, J. Zhao, J. W. Lynn, G. F. Chen, J. L. Luo, N. L. Wang, and P. C. Dai, Phys. Rev. B, 2008, 78(5): 054529

[25] J. H. Chu, J. G. Analytis, C. Kucharczyk, and I. R. Fisher, Phys. Rev. B, 2009, 79(1): 014506

[26] C. H. Dong, H. D. Wang, Z. J. Li, J. Chen, H. Q. Yuan, and M. H. Fang, arXiv:1012.5188, 2010

[27] T. Park, E. Park, H. Lee, T. Klimczuk, E. D. Bauer, F. Ronning, and J. D. Thompson, J. Phys.: Condens. Matter, 2008, 20(32): 322204

[28] P. L. Alireza, Y. T. Ko, J. Gillett, C. M. Petrone, J. M. Cole, G. G. Lonzarich, and S. E. Sebastian, J. Phys.: Condens. Matter, 2009, 21(1): 012208

[29] R. H. Liu, X. G. Luo, M. Zhang, A. F. Wang, J. J. Ying, F. Wang, Y. J. Yan, Z. J. Xiang, P. Cheng, G. J. Ye, Z. Y. Li, and X. H. Chen, Europhys. Lett., 2011, 94(2): 27008

[30] Z. Shermadini, A. Krzton-Maziopa, M. Bendele, R. Khasanov, H. Luetkens, K. Conder, E. Pomjakushina, S. Weyeneth, V. Pomjakushin, O. Bossen, and A. Amato, Phys. Rev. Lett., 2011, 106(11): 117602

[31] W. Bao, Q. Huang, G. F. Chen, M. A. Green, D. M. Wang, J. B. He, X. Q. Wang, and Y. Qiu, Chin. Phys. Lett., 2011, 28(8): 086104

[32] Y. J. Yan, M. Zhang, A. F. Wang, J. J. Ying, Z. Y. Li, W. Qin, X. G. Luo, J. Q. Li, J. P. Hu, and X. H. Chen, arXiv:1104.4941, 2011

[33] W. Bao, G. N. Li, Q. Huang, G. F. Chen, J. B. He, M. A. Green, Y. Qiu, D. M. Wang, and J. L. Luo, arXiv:1102. 3674, 2011

[34] B. Shen, B. Zeng, G. F. Chen, J. B. He, D. M. Wang, H. Yang, and H. H. Wen, Europhys. Lett., 2011, 96(3): 37010

[35] Z. Wang, Y. J. Song, H. L. Shi, Z. W. Wang, Z. Chen, H. F. Tian, G. F. Chen, J. G. Guo, H. X. Yang, and J. Q. Li, Phys. Rev. B, 2011, 83(14): 140505

[36] F. J. Ma, Z. Y. Lu, and T. Xiang, Front. Phys. China, 2010, 5(2): 150

[37] D. J. Singh and M. H. Du, Phys. Rev. Lett., 2009, 100(23): 237003

[38] X. F. Wang, T. Wu, G. Wu, H. Chen, Y. L. Xie, J. J. Ying, Y. J. Yan, R. H. Liu, and X. H. Chen, Phys. Rev. Lett., 2009, 102(11): 117005

[39] N. R. Werthamer, E. Helfand, and P. C. Hohenberg, Phys. Rev., 1966, 147(1): 295

[40] B. S. Chandrasekhar, Appl. Phys. Lett., 1962, 1(1): 7

[41] A. M. Clogston, Phys. Rev. Lett., 1962, 9(6): 266

[42] G. Fuchs, S. L. Drechsler, N. Kozlova, M. Bartkowiak, J. E. H. Borrero, G. Behr, K. Nenkov, H. H. Klauss, H. Maeter, A. Amato, H. Luetkens, A. Kwadrin, R. Khasanov, J. Freudenberger, A. Köhler, M. Knupfer, E. Arushanov, H. Rosner, B. Büchner, and L. Schultz, New J. Phys., 2009, 11(7): 075007

[43] K. Maki, Phys. Rev., 1966, 148(1): 362

[44] P. Fulde and R. A. Ferrell, Phys. Rev., 1964, 135(3A): A550

[45] A. I. Larkin and Y. N. Ovichinnikov, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 1964, 47: 1136

[46] A. S. Sefat, M. A. McGuire, B. C. Sales, R. Jin, J. Y. Howe, and D. Mandrus, Phys. Rev. B, 2008, 77(17): 174503

[47] G. F. Chen, Z. Li, G. Li, J. Zhou, D. Wu, J. Dong, W. Z. Hu, P. Zheng, Z. J. Chen, H. Q. Yuan, J. Singleton, J. L. Luo, and N. L. Wang, Phys. Rev. Lett., 2008, 101(5): 057007

[48] Y. Jia, P. Cheng, L. Fang, H. Luo, H. Yang, C. Ren, L. Shan, C. Gu, and H. H. Wen, Appl. Phys. Lett., 2008, 93(3): 032503

[49] N. Ni, S. L. Budko, A. Kreyssig, S. Nandi, G. E. Rustan, A. I. Goldman, S. Gupta, J. D. Corbett, A. Kracher, and P. C. Canfield, Phys. Rev. B, 2008, 78(1): 014507

[50] F. Hunte, J. Jaroszynski, A. Gurevich, D. C. Larbalestier, R. Jin, A. S. Sefat, M. A. McGuire, B. C. Sales, D. K. Christen, and D. Mandrus, Nature, 2008, 453(7197): 903

[51] H. Ding, P. Richard, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Arakane, Y. Sekiba, A. Takayama, S. Souma, T. Sato, T. Takahashi, Z. Wang, X. Dai, Z. Fang, G. F. Chen, J. L. Luo, and N. L. Wang, Europhys. Lett., 2008, 83(4): 47001

[52] L. Zhao, H. Y. Liu, W. T. Zhang, J. Q. Meng, X. W. Jia, G. D. Liu, X. L. Dong, G. F. Chen, J. L. Luo, N. L. Wang, G. L. Wang, Y. Zhou, Y. Zhu, X. Y. Wang, Z. X. Zhao, Z. Y. Xu, C. T. Chen, and X. J. Zhou, Chin. Phys. Lett., 2008, 25: 4402

[53] K. Nakayama, T. Sato, P. Richard, Y. M. Xu, Y. Sekiba, S. Souma, G. F. Chen, J. L. Luo, N. L. Wang, H. Ding, and T. Takahashi, Europhys. Lett., 2009, 85(6): 67002

[54] J. Jaroszynski, F. Hunte, L. Balicas, Y. J. Jo, I. Raiccaronevicacute, A. Gurevich, D. C. Larbalestier, F. F. Balakirev, L. Fang, P. Cheng, Y. Jia, and H. H. Wen, Phys. Rev. B, 2008, 78(17): 174523

[55] H. S. Lee, M. Bartkowiak, J. H. Park, J. Y. Lee, J. Y. Kim, N. H. Sung, B. K. Cho, C. U. Jung, J. S. Kim, and H. J. Lee, Phys. Rev. B, 2009, 80(14): 144512

[56] H. Q. Yuan, J. Singleton, F. F. Balakirev, S. A. Baily, G. F. Chen, J. L. Luo, and N. L. Wang, Nature, 2009, 457(7229): 565

[57] M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, 2nd Ed., New York: McGraw-Hill, 1996

[58] A. Gurevich, Phys. Rev. B, 2003, 67(18): 184515

[59] V. Gasparov, L. Drigo, A. Audouard, D. Sun, C. Lin, S. Bud Ko, P. Canfield, F. Wolff-Fabris, and J. Wosnitza, JETP Lett., 2011, 93: 11667

[60] M. Kano, Y. Kohama, D. Graf, F. Balakirev, A. S. Sefat, M. A. Mcguire, B. C. Sales, D. Mandrus, and S. W. Tozer, J. Phys. Soc. Jpn., 2009, 78(8): 84719

[61] S. A. Baily, Y. Kohama, H. Hiramatsu, B. Maiorov, F. F. Balakirev, M. Hirano, and H. Hosono, Phys. Rev. Lett., 2009, 102(11): 117004

[62] M. H. Fang, J. H. Yang, F. F. Balakirev, Y. Kohama, J. Singleton, B. Qian, Z. Q. Mao, H. Wang, and H. Q. Yuan, Phys. Rev. B, 2010, 81(2): 20509

[63] H. C. Lei, R. W. Hu, E. S. Choi, J. B. Warren, and C. Petrovic, Phys. Rev. B, 2010, 81(9): 94518

[64] N. Kurita, K. Kitagawa, K. Matsubayashi, A. Kismarahardja, E. Choi, J. S. Brooks, Y. Uwatoko, S. Uji, and T. Terashima, J. Phys. Soc. Jpn., 2011, 80(1): 13706

[65] K. Cho, H. Kim, M. A. Tanatar, Y. J. Song, Y. S. Kwon, W. A. Coniglio, C. C. Agosta, A. Gurevich, and R. Prozorov, Phys. Rev. B, 2011, 83(6): 60502

[66] J. L. Zhang, L. Jiao, F. F. Balakirev, X. C. Wang, C. Q. Jin, and H. Q. Yuan, Phys. Rev. B, 2011, 83(17): 174506

[67] S. Khim, B. Lee, J.W. Kim, E. S. Choi, G. R. Stewart, and K. H. Kim, Phys. Rev. B, 2011, 84(10): 104502

[68] Y. Zhang, L. X. Yang, M. Xu, Z. R. Ye, F. Chen, C. He, H. C. Xu, J. Jiang, B. P. Xie, J. J. Ying, X. F. Wang, X. H. Chen, J. P. Hu, M. Matsunami, S. Kimura, and D. L. Feng, Nat. Mater., 2011, 10(4): 273

[69] X. P. Wang, T. Qian, P. Richard, P. Zhang, J. Dong, H. D. Wang, C. H. Dong, M. H. Fang, and H. Ding, Europhys. Lett., 2011, 93(5): 57001

[70] D. X. Mou, S. Y. Liu, X. W. Jia, J. F. He, Y. Y. Peng, L. Zhao, L. Yu, G. D. Liu, S. L. He, X. L. Dong, J. Zhang, H. D. Wang, C. H. Dong, M. H. Fang, X. Y. Wang, Q. J. Peng, Z. M. Wang, S. J. Zhang, F. Yang, Z. Y. Xu, C. T. Chen, and X. J. Zhou, Phys. Rev. Lett., 2011, 106(10): 107001

[71] E. D. Mun, M. M. Altarawneh, C. H. Mielke, V. S. Zapf, R. Hu, S. L. Bud’Ko, and P. C. Canfield, Phys. Rev. B, 2011, 83(4): 100514

[72] L. Jiao, Y. Kohama, J. L. Zhang, H. D. Wang, B. Maiorov, F. F. Balakirev, Y. Chen, L. N. Wang, T. Shang, M. H. Fang, and H. Q. Yuan, arXiv:1106.2283, 2011

[73] V. N. Zverev, A. V. Korobenko, G. L. Sun, D. L. Sun, C. T. Lin, and A. V. Boris, Jpn. J. Appl. Phys., 2011, 50: 05FD0274

[74] G. Wu, H. Chen, T. Wu, Y. L. Xie, Y. J. Yan, R. H. Liu, X. F. Wang, J. J. Ying, and X. H. Chen, J. Phys.: Condens. Matter, 2008, 20(5): 422201

[75] C. Liu, Y. Lee, A. D. Palczewski, J. Q. Yan, T. Kondo, B. N. Harmon, R.W. McCallum, T. A. Lograsso, and A. Kaminski, Phys. Rev. B, 2010, 82(7): 075135

[76] S. I. Vedeneev, C. Proust, V. P. Mineev, M. Nardone, and G. L. J. A. Rikken, Phys. Rev. B, 2006, 73(1): 14528

[77] M. S. Nam, J. A. Symington, J. Singleton, S. J. Blundell, A. Ardavan, J. A. A. J. Perenboom, M. Kurmoo, and P. Day, J. Phys.: Condens. Matter, 2009, 11(43): L477

[78] P. Vilmercati, A. Fedorov, I. Vobornik, U. Manju, G. Panaccione, A. Goldoni, A. S. Sefat, M. A. McGuire, B. C. Sales, R. Jin, D. Mandrus, D. J. Singh, and N. Mannella, Phys. Rev. B, 2009, 79(22): 220503

[79] Y. M. Xu, Y. B. Huang, X. Y. Cui, R. Elia, R. Milan, M. Shi, G. F. Chen, P. Zheng, N. L. Wang, P. Dai, J. P. Hu, Z. Wang, and H. Ding, Nat. Phys., 2011, 7(3): 198

[80] Z. S. Gao, Y. P. Qi, L. Wang, D. L. Wang, X. P. Zhang, C. Yao, and Y. W. Ma, Supercond. Sci. Technol., 2011, 24(6): 065022

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg