[論文レビュー] On the origin of critical nematic fluctuations in pnictide superconductors

Shan Wu, Weilu Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、金ドープBa(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$超伝導体における臨界ネミティックフラクチュエーションの起源として、ほぼ簡退した$d_{xz}$および$d_{yz}$軌道間の電荷四極モーメントフラクチュエーションを特定した。偏光分解Raman分光法を用いて、$T_S$より高い温度領域で$B_{2g}$チャネルの静的Raman感受率がCurie-Weiss則に従うことが示された。ウィッズ温度$T_\theta(x)$はドーピングに伴い減少し、量子臨界点$x_c = 0.031$でゼロに達する。この点は超伝導転移温度$T_c = 2.5$ Kと一致しており、ネミティック量子臨界性と非単純超伝導性の直接的な関連を示唆している。

ABSTRACT

We employ polarization-resolved Raman spectroscopy to study critical nematic fluctuations in Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)$_2$As$_2$ superconductors above and across well separated tetragonal to orthorhombic phase transition at temperature $T_S(x)$ and the Néel transition at $T_N(x)$. The static Raman susceptibility in $XY$ symmetry channel increases upon cooling from room temperature following the Curie-Weiss law, with Weiss temperature $T_θ(x)$ several tens of degrees lower than $T_S(x)$. Data reveals a hidden nematic quantum critical point at $x_{c} = 0.031$ when the system becomes superconducting, indicating a direct connection between quantum critical nematic fluctuations and unconventional superconductivity. We attribute the origin of the nematicity to charge quadrupole fluctuations due to electron transfer between the nearly degenerate $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals.

研究の動機と目的

• Fe系超伝導体における臨界ネミティックフラクチュエーションの微視的起源を特定すること、特に構造転移と磁気転移が分離している系を対象とする。
• AuドープBa(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$において$T_S$と$T_N$が明確に分離していることを利用し、電荷フラクチュエーションとスピンフラクチュエーションの寄与を分離すること。
• ネミティックフラクチュエーションが軌道／電荷自由度に起因するのか、それとも磁気的相互作用に起因するのかを特定すること。
• ネミティック量子臨界性と非単純超伝導性の出現との関連を調査すること。

提案手法

• 動的Raman応答を$XY$対称性チャネル、特に$B_{2g}$四極モーメントチャネルで測定するために偏光分解Raman分光法を用いた。
• ネミティックフラクチュエーションをプローブするため、動的応答から静的Raman感受率$\chi''_{B_{2g}}(0,T,x)$を抽出した。
• 高温領域の感受率にCurie-Weiss則を適用し、ウィッズ温度$T_\theta(x)$を抽出した。
• 相図全体にわたる$T_S(x)$、$T_N(x)$、$T_\theta(x)$、および電荷四極モーメント$Q(x)$のドーピング依存的変化を分析した。
• フィットされたCurie定数から電荷四極モーメント$Q(x)$を推定し、$d_{xz}$と$d_{yz}$軌道間の電子移動と関連づけた。
• $T_N$未満で感受率が低下する現象を観察し、磁気秩序パラメータを追跡した。そのドーピング依存性を$Q(x)$と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe系超伝導体における臨界ネミティックフラクチュエーションの微視的起源は、電荷四極モーメントか、磁気フラクチュエーションか？
• RQ2 AuドープBa(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$において、ネミティックフラクチュエーションは構造転移($T_S$)および磁気転移($T_N$)の前後でどのように変化するか？
• RQ3 $x_c = 0.031$におけるネミティック量子臨界点は、超伝導の開始と一致するか？ これはペアリング機構に何を示唆するか？
• RQ4 ドーピングに伴い、電荷四極モーメント$Q(x)$と磁気秩序パラメータ$M(x)$はどのように変化するか？ その逆のドーピング依存性が示唆する意味は何か？
• RQ5 なぜ静的Raman感受率は$T_S$で飽和し、$T_N$未満でのみ急激に低下するのか？

主な発見

• $B_{2g}$チャネルにおける静的Raman感受率は、$T_S$より高い領域でCurie-Weiss則に従い、ウィッズ温度$T_\theta(x)$は金ドーピングに伴い減少し、$x_c = 0.031$でゼロに達する。
• 感受率は$T_S$未満で増加を停止しており、ネミティックフラクチュエーションが磁気秩序によって駆動されているのではなく、軌道／電荷フラクチュエーションによって駆動されていることを示している。
• フィットされたCurie定数から推定した電荷四極モーメント$Q(x)$は、金ドーピングに伴い単調に増加するが、磁気秩序パラメータ$M(x)$は減少する。
• $T_N$未満で感受率が抑制される現象は、スピン密度波(SDW)ギャップの発達と相関しており、磁気秩序がネミティックフラクチュエーションを抑制していることを確認している。
• 量子臨界点$x_c = 0.031$は超伝導ドーム内に位置し、$T_c = 2.5$ Kであるため、ネミティック量子臨界性と非単純超伝導性の直接的な関連が示唆される。
• データは、近似的に簡退した$d_{xz}$と$d_{yz}$軌道間の電子移動によって電荷四極モーメント$Q(x)$が生成され、これがネミティック性の起源であるというシナリオを支持している。