[論文レビュー] Mass enhancement in multiple bands approaching optimal doping in a high-temperature superconductor

Camilla M. Moir, Scott Riggs+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、最適ドーピング付近での電子準粒子有効質量増大を直接的に調べるため、BaFe2(As1−xPx)2における高磁場比熱測定が行われた。磁場を用いて超伝導を抑制することで、正常状態における電子状態密度を抽出し、逆有効質量の線形外挿法により、臨界ドーピング x ≈ 0.28 ± 0.015 でゼロとなることを明らかにした。これは、鉄系超伝導体における有効質量増大を駆動する量子臨界点を示唆している。

ABSTRACT

Pnictides provide an opportunity to study the effects of quantum criticality in a multi-band high temperature superconductor. Quasiparticle mass divergence near optimal doping, observed in two major classes of high-temperature superconductors, pnictides and cuprates, is a direct experimental indicator of enhanced electronic interactions that accompany quantum criticality. Whether quasiparticles on all Fermi surface pockets in BaFe2(As1-xPx)2 are affected by quantum criticality is an open question, which specific heat measurements at high magnetic fields can directly address. Here we report specific heat measurements up to 35T in BaFe2(As1-xPx)2 over a broad doping range, 0.44 <= x <= 0.6. We observe saturation of C/T in the normal state at all dopings where superconductivity is fully suppressed. Our measurements demonstrate that quasiparticle mass increases towards optimal doping in multiple pockets, some of which exhibit even stronger mass enhancement than previously reported from quantum oscillations of a single pocket.

研究の動機と目的

• 最適ドーピング付近の高温超伝導体の正常状態における準粒子有効質量を、超伝導転移のジャンプからのモデル依存の仮定を避けて直接測定すること。
• 正常状態における電子状態密度を測定することで、鉄系超伝導体における量子臨界性の仮説を検証すること。
• 量子振動測定の解釈の不一致を解消するために、質量増大の熱力学的測定を提供すること。
• 観測された最適ドーピング付近での質量発散が、銅酸化物超伝導体と同様に量子臨界点と整合するかを特定すること。

提案手法

• c軸に沿った磁場を印加し、広いドーピング範囲にわたるBaFe2(As1−xPx)2試料に対して高磁場比熱測定が実施された。
• 高磁場 (H > H_sat) における比熱 C/T の飽和を用いて、正常状態における電子状態密度 (C/T)_sat を抽出した。
• 低磁場における √H 行動からのずれを分析し、ノードを持つ超伝導ギャップを特定した。これは、線形ノード対称性のペアリングと整合的である。
• (C/T)_extrap を (C/T)_sat から差し引くことで、準粒子寄与による状態密度を分離した。
• 磁場に依存しない成分 (C/T)_H から、超伝導フェルミポケット上の全準粒子有効質量に比例する逆有効質量が決定された。
• 逆有効質量をゼロに外挿する線形補外法を用いて、質量発散の臨界ドーピングを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子振動測定の結果が示唆するように、BaFe2(As1−xPx)2における準粒子有効質量は最適ドーピング付近で発散するか？
• RQ2 高磁場を用いて超伝導を抑制することで、高温超伝導体の正常状態における電子状態密度を直接測定できるか？
• RQ3 観測された質量増大は、銅酸化物超伝導体と同様に量子臨界点と整合的か？
• RQ4 低磁場で観測された背景 C/T 成分 (γ_bg) の起源は何か？また、質量増大の解釈に影響を与えるか？
• RQ5 正常状態における磁場に依存しない電子エントロピーは、プランクライト散乱理論と線形磁場依存抵抗の理論とどのように整合するか？

主な発見

• H > H_sat における C/T の高磁場飽和は、BaFe2(As1−xPx)2における正常状態における電子状態密度の直接測定を可能にし、準粒子有効質量のモデルに依存しない決定が可能になった。
• 逆準粒子有効質量は、臨界ドーピング x ≈ 0.28 ± 0.015 でゼロに線形外挿され、最適ドーピング付近での有効質量発散を示唆している。
• 観測された質量発散は、量子臨界点と整合的であり、鉄系および銅酸化物超伝導体における超伝導の共通する量子臨界的起源を支持する。
• 背景 C/T 成分 (γ_bg) はドーピングとともに増加するが、ペア破壊によるものではないとされる。低磁場における √H 行動からのずれはドーピングが増加するにつれて小さくなるため、ペア破壊の期待とは矛盾する。
• H_sat を超える領域において、正常状態における電子エントロピーは磁場にほとんど依存せず、プランクライト散乱の予測と矛盾する。これは、これらの材料における量子臨界性の現在の理論的モデルの見直しが必要であることを示唆している。
• 測定された質量増大は、超伝導フェルミポケットと強く相関しており、強相関が最適ドーピング付近の超伝導状態に固有であることを確認した。