[論文レビュー] Ultrafast pump-probe study of phase separation and competing orders in the underdoped (Ba,K)Fe$_{2}$As$_{2}$ superconductor

Elbert E. M. Chia, Diyar Talbayev+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超高速ポンププローブ分光法を用いて、臨界温度Tc ~ 28 Kより高い温度で、不純度ドープされた (Ba,K)Fe₂As₂ に、超伝導の前身状態であるスピン密度波(SDW)秩序を抑制する前駆超伝導秩序が存在することを明らかにした。T* ~ 60 Kで観測される正常状態の相の出現は、Tc ~ 28 Kでの超伝導の発現に先行し、メソスコピックに相分離した領域におけるSDWとSCの競合するフラクチュエーションの証拠とともに、超伝導の前身状態と特定された。

ABSTRACT

We report measurements of quasiparticle relaxation dynamics in the high-temperature superconductor (Ba,K)Fe$_{2}$As$_{2}$ in optimally doped, underdoped and undoped regimes. In the underdoped sample, spin-density wave (SDW) order forms at $\sim$85 K, followed by superconductivity at $\sim$ 28 K. We find the emergence of a normal-state order that suppresses SDW at a temperature $T^{\ast} \sim$ 60 K and argue that this normal-state order is a precursor to superconductivity.

研究の動機と目的

• 不純度ドープされた (Ba,K)Fe₂As₂ における超伝導、スピン密度波(SDW)秩序、および競合する電子的相の間の相乗的相互作用を調査すること。
• 正常状態の秩序がSDWをどのように抑制するか、および超伝導の発現とそれとの関係を特定すること。
• 準粒子の緩和ダイナミクスをプローブし、競合する秩序に関連するエネルギースケールを同定すること。
• メソスコピックな相分離および磁気共鳴モードが電子的応答に与える影響を検討すること。

提案手法

• 800 nm、40 fsパルス、80 MHz繰り返し周波数、~0.2 μJ/cm²のフォーカス強度を用いた超高速ポンププローブ分光法。
• 8 Kから140 Kの温度範囲で、光誘起反射率変化(ΔR/R)を測定し、準粒子の緩和ダイナミクスをプローブした。
• ΔR/Rの単一指数関数的減衰フィッティングにより、緩和振幅(A)および時間定数(τ)を抽出し、温度依存的変化を分析した。
• Rothwarf-Taylor(RT)モデルを用いて緩和ダイナミクスにフィットし、超伝導ギャップパラメータを抽出した。
• 不純度ドープ、最適ドープ、未ドープのサンプル間での緩和ダイナミクスを比較し、T*-依存の現象を分離した。
• 磁化測定を用いてTcを確認し、強磁性不純物の存在を除外することで、サンプル純度を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不純度ドープされた (Ba,K)Fe₂As₂ においてT* ~ 60 Kで観測される正常状態の相の性質と起源は何か？
• RQ2 T*における前駆秩序は、超伝導の発現およびSDW秩序の抑制とどのように関係しているか？
• RQ3 メソスコピックな相分離および部分的フェルミ表面ネストが、準粒子の緩和ダイナミクスに果たす役割は何か？
• RQ4 磁気フラクチュエーションおよび磁気共鳴モードは、SDWおよび超伝導秩序パラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測された緩和行動は、巨視的超伝導の前段階としての前駆超伝導状態と整合的か？

主な発見

• 不純度ドープされた (Ba,K)Fe₂As₂ において、Tc ~ 28 Kでの超伝導に先行し、T* ~ 60 Kで正常状態の相が出現し、超伝導の前身状態と特定された。
• 緩和時間τ_slowがT*で増加しピークを示すことは、フェルミ準位に準粒子ギャップが開くこと、つまり前駆対形成の開始と整合的である。
• 高速緩和成分の振幅A_fastがT*未満で減少することは、前駆超伝導状態がSDW秩序を抑制していることを示している。
• Tcより高い温度でA_slowに明確な尾部が観測され、前駆超伝導フラクチュエーションに関連する擬似ギャップ的特徴が存在することが示された。
• 超伝導相における磁気共鳴モードは、SDWフラクチュエーションを再規格化し、超伝導状態では通常状態に比べてτ_fastの緩和率が低下した。
• 不純度ドープされた (Ba,K)Fe₂As₂ で観測されたT*/Tc > 2の比は、不純度ドープされた銅酸化物系の報告と一致し、普遍的な前駆メカニズムを示唆している。