[論文レビュー] Comparison of temperature and doping dependence of nematic susceptibility near a putative nematic quantum critical point

Johanna C. Palmstrom, Philip Walmsley+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高場エラストローレジストビリティを用いて、電子ドーピングされたBa(Fe1−xCox)2As2におけるネマチック量子臨界性を調査した。臨界点に近いドーピング領域で、予想される普遍的スケーリングとは対照的に、ドーピングにわたるべきべき乗則的スケーリングが観測されたが、温度依存性は普遍的でないことが判明し、鉄系超伝導体における期待される普遍的量子臨界性に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Strong electronic nematic fluctuations have been discovered near optimal doping for several families of Fe-based superconductors, motivating the search for a possible link between these fluctuations, nematic quantum criticality, and high temperature superconductivity. Here we probe a key prediction of quantum criticality, namely power law dependence of the associated nematic susceptibility as a function of composition and temperature approaching the compositionally-tuned putative quantum critical point. To probe the 'bare' quantum critical point requires suppression of the superconducting state, which we achieve by using large magnetic fields, up to 45 T, while performing elastoresistivity measurements to follow the nematic susceptibility. We performed these measurements for the prototypical electron-doped pnictide, Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$, over a dense comb of dopings. We find that close to the putative quantum critical point, the nematic susceptibility appears to obey power law behavior over almost a decade of variation in composition, consistent with basic notions of nematic quantum criticality. Paradoxically, however, we also find that the temperature dependence for compositions close to the critical value cannot be described by a single power law. This is surprising as power law scaling in both doping and temperature is expected close to a quantum critical point.

研究の動機と目的

• 量子臨界性の予測である、臨界点に近い領域でネマチック感受率がドーピングおよび温度の両方においてべき乗則的スケーリングを示すかどうかを検証すること。
• 鉄系超伝導体におけるネマチック揺らぎが、真の量子臨界点によるものか、あるいは臨界性が回避されているものかを特定すること。
• 磁場を最大45 Tまで用いて超伝導性を抑制し、『本質的』な量子臨界点に到達し、内在的なネマチック感受率を測定すること。
• 最近の観測結果が示唆するように、最適ドーピングされた鉄系超伝導体における観測されたネマチック揺らぎが、量子臨界性に起因するものかどうかを特定すること。

提案手法

• 45 Tまでの磁場を用いた高場エラストローレジストビリティ測定を実施し、Ba(Fe1−xCox)2As2におけるネマチック感受率を超伝導性を抑制することで調査した。
• [110]および[1̄10]方向への同時抵抗測定が可能な修正されたモンゴメリー配置を用いた。
• 圧電素子を用いて単結晶試料に一軸応力を印加し、それに起因する抵抗変化をロックイン検出法で測定した。
• デュアルモードロックインアンプの設定により、サイドバンドおよび平均電圧を直接測定可能であり、ノイズ低減のためサヴィツキー・ゴールドフィルタを適用した。
• 試料は、Coドーピングを精密に制御した（標準偏差 < 0.002）電子マイクロプローブ分析により、広範な組成範囲（x ≈ 0.068 から 0.15）で調製された。
• 測定は、国立高磁場研究所（45 T）およびQuantum Design PPMS（14 T）で実施され、温度スイープは制御された速度で実施され、加熱は最小限（<0.15 K）に抑えられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba(Fe1−xCox)2As2におけるネマチック感受率は、仮の量子臨界点に近い領域で、予想される量子臨界理論に従い、ドーピングにわたるべき乗則的スケーリングを示すか？
• RQ2 臨界ドーピング付近におけるネマチック感受率の温度依存性は、量子臨界性が期待するように単一のべき乗則に従うか？
• RQ3 磁場を最大45 Tまで用いることで、超伝導性を効果的に抑制し、内在的なネマチック応答に到達できるか？
• RQ4 鉄系超伝導体における観測されたネマチック揺らぎは、真の量子臨界点に起因するものか、それとも競合する相の存在によって臨界性が回避されているのか？

主な発見

• 臨界点に近い領域でネマチック感受率はドーピングにわたるべき乗則的依存性を示し、χ ∝ |x − xc|−γ と表され、組成変動のほぼ1桁にわたる範囲で量子臨界スケーリングと整合的である。
• べき乗則的ドーピング依存性が観測されたにもかかわらず、臨界ドーピングに近い組成におけるネマチック感受率の温度依存性は、単一のべき乗則では記述できず、標準的な量子臨界理論の予想とは矛盾する。
• ゼロ磁場超伝導転移温度を超える領域でネマチック応答に磁場依存性が認められないことから、観測された信号が渦電流効果に起因するものでないことが確認され、内在的信号であることが裏付けられた。
• データから、臨界点に近い領域でネマチック揺らぎが強化されているものの、系が普遍的量子臨界行動を示さない可能性が示唆され、臨界性の回避または他の競合秩序の存在を示唆する。
• 観測された普遍的でない温度依存性は、臨界指数 zν が一定でない可能性を示唆し、本系におけるネマチック量子臨界点の普遍性に疑問を呈する。
• 本研究は、高磁場（最大45 T）が、電子ドーピングされた鉄pn吉化物における真のネマチック応答に到達するため不可欠であることを示した。