[論文レビュー] Quasiparticle mass enhancement close to the quantum critical point in BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

P. Walmsley, C. Putzke+12 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Mar 14, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるx ≈ 0.30の量子臨界点(QCP)の存在を、比熱、de Haas-van Alphen(dHvA)効果、および磁気浸透深度の併用測定によって強く示唆する。QCP近傍における準粒子有効質量の強化がフェルミ表面の大部分に一様に影響することを示し、逆スーパー流動密度の鋭いピークが強い有効質量再規格化と直接関連していることを明らかにした。この再規格化は、フェルミエネルギーの低下にもかかわらず超伝導性を強化する。

ABSTRACT

We report a combined study of the specific heat and de Haas-van Alphen effect in the iron-pnictide superconductor BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$. Our data when combined with results for the magnetic penetration depth give compelling evidence for the existence of a quantum critical point (QCP) close to $x=0.30$ which affects the majority of the Fermi surface by enhancing the quasiparticle mass. The results show that the sharp peak in the inverse superfluid density seen in this system results from a strong increase in the quasiparticle mass at the QCP.

研究の動機と目的

• 比熱と量子振動測定を用いて、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるx ≈ 0.30近辺の量子臨界点(QCP)の存在を確立すること。
• QCPにおける準粒子有効質量増大がフェルミ表面全体に一様に及ぶか、特定のバンドに局在化しているかを特定すること。
• x ≈ 0.30における逆スーパー流動密度の鋭いピークの起源を、有効質量再規格化、フェルミ表面の収縮、あるいは不均一性のいずれに起因するかを解明すること。
• 量子臨界フラクチュエーションが、有効質量増大に起因する対結合相互作用の増強によって超伝導性を強化するという仮説を検証すること。

提案手法

• 比熱測定は、超小型単結晶（4–70 μg）を用いたカスタムマイクロカロリメータを用いて実施され、比熱のジャンプΔCと転移温度Tcが抽出された。
• de Haas-van Alphen(dHvA)効果は、マイクロペイエゾレジスタ式キャニオンブレットを用いて測定され、特にβ軌道の電子フェルミ表面シートの有効質量m*が決定された。
• 磁気浸透深度λは、マイクロ波キャビティ測定を用いて分析され、λ₀が抽出され、スーパー流動密度が推定された。再規格化係数はDFTと実験的フェルミ表面収縮から導出された。
• 熱力学的有効質量（γ = ΔC/Tc）と動的有効質量（λ⁻² ∝ m*²）をxの関数として比較し、有効質量増大の一貫性を評価した。
• フェルミ表面体積の収縮は、Vegardの法則とdHvAデータを用いて定量的に評価され、測定値とDFTのフェルミ体積比に対してA = 0.358 + 0.44xが得られた。
• 理論的一致性は、相図全体にわたるdHvA m*/m_b、λ⁻²再規格化、ΔC/Tcの傾向を比較することで検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 x ≈ 0.30における逆スーパー流動密度の鋭いピークは、準粒子有効質量増大に起因するのか、それともフェルミ表面収縮や不均一性に起因するのか？
• RQ2 QCPにおける準粒子有効質量増大は、フェルミ表面のすべてのシートに一様に及ぶのか、それとも特定の領域に局在化しているのか？
• RQ3 QCP付近において、熱力学的（ΔC/Tc）、量子振動（dHvA）、動的（λ⁻²）測定による有効質量の測定値がどの程度一致するか？
• RQ4 有効質量増大に起因するフェルミエネルギーの低下にもかかわらず、なぜ最高のTcがQCPで観測されるのか？
• RQ5 多バンド鉄ヒ素化物におけるガリレオ不変性の破れが、λ⁻²とm*再規格化の観察された一貫性を説明できるか？

主な発見

• 比熱ジャンプΔC/Tcは、x ≈ 0.30近辺で対数的発散を示し、量子臨界的挙動と整合的であり、QCPの熱力学的証拠を提供する。
• de Haas-van Alphen測定により、xが0.30に近づくにつれてβ電子フェルミ表面軌道の有効質量m*が強く連続的に増大することが判明し、準粒子有効質量増大を示している。
• 逆スーパー流動密度（λ⁻²）はx ≈ 0.30で鋭いピークを示し、このピークは比熱とdHvAで観察された同一の準粒子有効質量増大によって定量的に説明可能である。
• 有効質量増大はフェルミ表面全体にわたって一様であることが判明し、すべてのx値においてΔC/Tc、λ⁻²、dHvA m*のスケーリングが一貫している。
• 熱力学的、動的、量子振動測定によるm*の測定値の一致は、Tc近傍においても系が強い有効質量増大を示すフェルミ液体状態に保たれていることを示唆しており、Tcを超える領域では非フェルミ液体的T線形抵抗が観察されるにもかかわらずそうである。
• これらの結果は、スピンフラクチュエーションによって媒介される量子臨界フラクチュエーションが、QCPにおける対結合相互作用強度の増大を通じてBaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂の超伝導性を強化するという考えを支持する。