[論文レビュー] Diverse fluctuations and anisotropic Gr{\" u}neisen parameter behavior in iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ and their correlation with superconductivity

Chiaki Fujii, Shalamujiang Simayi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、コバルトドープBa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂における弾性軟化および異方性 Grüneisen パラメータを調査し、量子臨界点（QCP）付近におけるc軸格子揺らぎおよびC₄対称性の構造揺らぎが高温超伝導と強く相関していることを明らかにした。異方性 Grüneisen パラメータは、QCP付近で面間方向の歪み寄与が強化されており、c軸方向の延長と面内方向の圧縮が協同的に超伝導転移温度（T_sc）を向上させていることを示している。

ABSTRACT

In this study, the temperature dependence of elastic constants $C_{11}$, $C_{33}$, $C_{ m E} = (C_{11}-C_{12})/2$, $C_{66}$ and $C_{44}$ of the iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ (0 $\leqq x \leqq$ 0.245) have been measured. This system shows a large elastic softening in $C_{66}$ towards low temperatures. In addition to $C_{66}$, which originates from orthorhombic structural fluctuation, the samples near the optimal concentration show remarkable structural fluctuation in $C_{11}$ and $C_{33}$ elastic modes, which correspond to $Γ_{1}$ (C4) symmetry. It suggests the existence of diverse fluctuations in this system. Gr{\" u}neisen parameters were analyzed under some assumptions for structural and magnetic transition temperatures. Results showed that the Gr{\" u}neisen parameters for the inter-plane strain are remarkably enhanced toward the QCP, while those for the in-plane stress tend to turn down near the QCP. Gr{\" u}neisen parameters for the superconducting transition are anisotropic and shows remarkable Co-concentration dependence, suggesting that the in-plane isotropic compression and inter-layer elongation enhance the superconductivity. The correlation of Gr{\" u}neisen parameters between $T_{ m S}$, $T_{ m N}$ and $T_{ m sc}$ shows $c$-axis elongation and its relevant role in the emergence of superconductivity in this system.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体、特にBa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂における構造揺らぎの役割を理解すること。
• 異方性 Grüneisen パラメータと超伝導転移温度（T_sc）との相関を分析すること。
• 異なる結晶学的モードにおける弾性軟化が、量子臨界点（QCP）付近の電子的不安定性とどのように関係するかを特定すること。
• 一軸圧力および化学ドーピングが格子工学を通じてT_scを向上させる可能性を検討すること。

提案手法

• 単結晶 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0 から 0.245）における温度依存の弾性定数 C₁₁、C₃₃、C_E、C₄₄、C₆₆ の測定。
• 構造的および磁気的転移温度の仮定の下、Grüneisen パラメータ形式を用いた弾性異常の分析。
• QCPに近い状態における C₆₆（C₂対称性）および C₁₁/C₃₃（C₄対称性）の弾性軟化との相関。
• 完全ギャップ s₊₊ 対称性を仮定した場合の、常識状態における弾性異常（ΔCₙ）と超伝導状態における異常（ΔCₛ）との関係の評価。
• 電荷感受率モデルを用いて、バンド寄与による弾性異常の解釈およびT_sc未満での抑制の検討。
• 面内応力（Ωₐ）と面間歪み（Ω_c）の Grüneisen パラメータを比較し、その符号が逆であり、ボリューム平均の Ω で相殺されることを明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コバルトドーピングされた Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂ における C₆₆、C₁₁、C₃₃ モードの弾性軟化は、超伝導転移温度とどのように相関するか？
• RQ2 異方性 Grüneisen パラメータは、量子臨界点付近での T_sc の安定化または向上にどのような役割を果たすか？
• RQ3 なぜ超伝導状態の弾性異常（ΔCₛ）は常識状態の異常（−ΔCₙ）を完全に補償しないのか？ これは対称性に何を示唆するか？
• RQ4 C₂ および C₄ 構造揺らぎがどのように協同して鉄系超伝導体における高 T_sc を促進するか？
• RQ5 一軸圧力または化学ドーピングによって、c軸方向の延長と面内方向の圧縮を促進することで T_sc を向上させることができるか？

主な発見

• C₆₆ は正方晶構造揺らぎによって強く弾性軟化し、最適ドーピング（x ≈ 0.116）付近で最大の軟化を示した。
• C₁₁ および C₃₃ は最適ドーピング付近で顕著な軟化を示しており、C₄対称性（Γ₁）の構造揺らぎが存在することを示唆しており、QCP付近に多様な揺らぎモードが存在することを示している。
• 面間歪みの Grüneisen パラメータ（Ω_c）は量子臨界点に近づくにつれて強く増大する一方、面内応力の Grüneisen パラメータ（Ωₐ）は減少するため、異方性格子応答が顕著である。
• 超伝導状態の弾性異常（ΔCₛ）と常識状態の異常（−ΔCₙ）の比は 0.28 であり、バンド電子のうち28％しか弾性軟化に寄与していないことを示しており、残りの72％はギャップなしまたは非超伝導的であると示唆される。
• ΔCₛ はコバルト濃度の増加とともに急速に消失し、x = 0.116 ではほぼゼロに達するが、依然として T_sc = 10.5 K を維持しているため、単純なBCS的挙動の破綻が示唆される。
• C₃₃ と C₆₆ の軟化の相関から、QCP付近で C₂（C₆₆）と C₄（C₁₁/C₃₃）の揺らぎが協同的に作用していることが示され、この系における高 T_sc を駆動する要因である可能性がある。