[論文レビュー] Optical evidence of broken C$_4$ symmetry across optimal doping in BaFe$_{2}$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

Eric Thewalt, James P. Hinton+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超伝導ドーム全域にわたり、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるC₄回転対称性の自発的破れを示す光学的証拠として、1.5 eVにおける光誘起反射率変調を用い、線形二色性の鋭い臨界点を検出した。この臨界点は、構造的／磁気的転移温度Tₛ(x)を越えて、ドーピング濃度に依存する。その結果、過ドーピング領域にまで及ぶ明確なネーミック相転移線T_nem(x)が存在することが示され、歪み由来の効果ではなく、真のネーミック量子臨界点である可能性が示唆された。

ABSTRACT

The isovalently doped high-$T_{ ext{c}}$ superconductor BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$ is characterized by a rich temperature-doping phase diagram, which includes structural, antiferromagnetic, and superconducting phase transitions. In this work, we use photomodulated reflectance at 1.5 eV to detect the onset of linear birefringence in the normal state, and by inference, the breaking of four-fold rotational (C$_4$) symmetry. We find that C$_4$ breaking takes place in the normal state over a range of $x$ that spans the optimal P concentration, unlike the line of orthorhombic-tetragonal and magnetic phase transitions, which terminates at, or just below, the optimal value of $x$.

研究の動機と目的

• BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂の常態において、超伝導ドーム全域にわたるC₄対称性の破れの始まりを特定すること。
• 観測された光学的アノマリーの原因が、自発的ネーミック秩序か、格子の不均一性やレーザー加熱に起因する歪み由来の二色性かを区別すること。
• トルク磁化率測定（T_nem(x)が過ドーピング領域にまで延びる）と構造的／磁気的転移（T_s(x)が最適ドーピング近辺で終了する）の間にある顕著な矛盾を解明すること。
• C₄対称性の破れが単一の臨界温度で起こるのか、それとも連続的な感受率とべき乗則的挙動を示すのかを特定すること。
• 光学的応答を通じて、ネーミック秩序と超伝導秩序パラメータの結合を調査すること。

提案手法

• 1.5 eVのポンプパルスと時間遅延されたプローブを用いた光誘起反射率変調（PMR）分光法を採用し、ゼロ遅延時間におけるΔRの振幅に注目して測定した。
• 温度および偏光依存性の反射率変化を測定し、C₄対称性の破れの印 mark である線形二色性を検出する。
• 高分解能ビデオを用いた空間的分解能の高いイメージングを実施し、ビーム位置とΔRの振幅・符号の相関関係を特定し、不均一性を同定した。
• 2つの直交偏光に対するΔRの温度依存性を分析し、ネーミック秩序Ωと超伝導秩序Ψの結合を仮定して、二色性の起源を推定した。
• モデル式 ΔR ∝ (∂r_d/∂Ω)[αβΦ(T) + α_Ψβ_ΨΨ(T)] を適用して偏光依存応答を記述した。ここでΦ(T)はネーミック秩序、Ψ(T)は超伝導秩序パラメータを表す。
• 抵抗率および磁化率のデータと光学的結果を比較し、包括的なT-x相図を構築した。T_nem(x)がT_s(x)とは明確に異なることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C₄回転対称性の破れは、構造的／磁気的転移温度T_s(x)より高い温度で発生するか。これは真のネーミック相転移を示唆するか。
• RQ2 観測された二色性は、自発的ネーミック秩序由来か、格子の不均一性やレーザー加熱に起因する歪み由来か。
• RQ3 光学的二色性の発現は、超伝導ドームおよびネーミック量子臨界点とどのように関係するか。
• RQ4 二色性の温度依存性は連続的（べき乗則的）か、急激な変化か。これは真の相転移を示唆するか。
• RQ5 偏光依存光学応答から、ネーミック秩序と超伝導秩序パラメータの結合を推定できるか。

主な発見

• T_s(x)より高い温度で、光学的二色性の鋭い臨界点が観測され、C₄対称性の自発的破れが超伝導ドーム全域にわたり、T_nem(x)という線として存在することが示された。
• 二色性の発現は急激であり、べき乗則的感受率とは整合しない。これは歪み由来の効果ではなく、真の連続的相転移である可能性を示唆している。
• ΔRの振幅と符号は、サンプルの位置に依存しており、空間的不均一性を示しているが、常態および超伝導状態の両方において、偏光依存性は比例的である。
• 観測された二色性は、ネーミック秩序Ωと超伝導秩序パラメータΨの結合と整合的であり、ΩとΨが結合している場合、両偏光に対してΔRが比例的であることが示された。
• 相図においてT_nem(x)はT_s(x)とは明確に異なり、後者は最適ドーピング近辺で終了する。これにより、トルク磁化率測定との顕著な矛盾が解消された。
• 結果は、T_s(x)を時間反転対称性の破れを示す転移と再解釈することを支持しており、格子がスピン-格子結合を通じて事前に存在するC₄対称性の破れを増幅している可能性がある。