[논문 리뷰] Diverse fluctuations and anisotropic Gr{\" u}neisen parameter behavior in iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ and their correlation with superconductivity

Chiaki Fujii, Shalamujiang Simayi외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 09.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Co-doped Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂에서 탄성 연화와 이방성 Grüneisen 계수를 조사하여, 양자临계점(QCP) 근처에서 c축 격자 진동과 C₄ 대칭 구조적 변동이 고온 초전도성과 강하게 연관되어 있음을 밝혀냈다. 이방성 Grüneisen 계수는 QCP 근처에서 상호작용하는 c축 연장과 면내 압축이 초전도 전이 온도(T_sc)를 증가시키는 데 기여함을 시사한다.

ABSTRACT

In this study, the temperature dependence of elastic constants $C_{11}$, $C_{33}$, $C_{ m E} = (C_{11}-C_{12})/2$, $C_{66}$ and $C_{44}$ of the iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ (0 $\leqq x \leqq$ 0.245) have been measured. This system shows a large elastic softening in $C_{66}$ towards low temperatures. In addition to $C_{66}$, which originates from orthorhombic structural fluctuation, the samples near the optimal concentration show remarkable structural fluctuation in $C_{11}$ and $C_{33}$ elastic modes, which correspond to $Γ_{1}$ (C4) symmetry. It suggests the existence of diverse fluctuations in this system. Gr{\" u}neisen parameters were analyzed under some assumptions for structural and magnetic transition temperatures. Results showed that the Gr{\" u}neisen parameters for the inter-plane strain are remarkably enhanced toward the QCP, while those for the in-plane stress tend to turn down near the QCP. Gr{\" u}neisen parameters for the superconducting transition are anisotropic and shows remarkable Co-concentration dependence, suggesting that the in-plane isotropic compression and inter-layer elongation enhance the superconductivity. The correlation of Gr{\" u}neisen parameters between $T_{ m S}$, $T_{ m N}$ and $T_{ m sc}$ shows $c$-axis elongation and its relevant role in the emergence of superconductivity in this system.

연구 동기 및 목표

• 철계 초전도체, 특히 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂에서 구조적 변동의 역할을 이해하기 위해.
• 초전도 전이 온도(T_sc)와의 상관관계를 분석하기 위해 이방성 Grüneisen 계수를 분석하기 위해.
• 양자临계점(QCP) 근처 전자 불안정성과 관련된 다양한 결정학적 진동 모드에서의 탄성 연화의 관계를 규명하기 위해.
• 편축 압력과 화학 도핑이 격자 공학을 통해 T_sc 향상에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 단결정 Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂ (x = 0에서 0.245)에서 온도 의존 탄성 계수 C₁₁, C₃₃, C_E, C₄₄, C₆₆ 측정.
• 구조 전이 및 자성 전이 온도에 대한 가정 하에 Grüneisen 계수 체계를 사용한 탄성 이질성 분석.
• QCP에 가까워질수록 C₆₆ (C₂ 대칭) 및 C₁₁/C₃₃ (C₄ 대칭)에서의 탄성 연화와의 상관관계 분석.
• 완전 격자 s₊₊ 쌍대칭을 가정하여 정상 상태의 탄성 이질성(ΔCₙ)과 초전도 상태의 탄성 이질성(ΔCₛ) 간의 관계 평가.
• 전하 수용성 모델을 사용하여 탄성 이질성에 기여하는 밴드 기여도와 T_sc 이하에서의 억제 현상 해석.
• 면내 응력(Ωₐ)과 상하층 간 응력(Ω_c)에 대한 Grüneisen 계수 비교로, 이들이 반대 부호를 가지며 전체 Ω에서 상쇄됨을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co-doped Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂에서 C₆₆, C₁₁, C₃₃ 모드의 탄성 연화는 초전도 전이 온도와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 이방성 Grüneisen 계수의 역할은 QCP 근처에서 T_sc의 안정화 또는 증가에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 초전도 상태의 탄성 이질성(ΔCₛ)이 정상 상태 이질성(−ΔCₙ)을 완전히 상쇄하지 못하며, 이는 쌍대칭에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 C₂ 및 C₄ 구조적 변동은 어떻게 상호작용하여 철계 초전도체에서 고 T_sc를 촉진하는가?
• RQ5 편축 압력 또는 화학 도핑을 통해 c축 연장과 면내 압축을 유도함으로써 T_sc 향상을 이룰 수 있는가?

주요 결과

• C₆₆는 오르토로브릭 구조적 변동으로 인해 강한 탄성 연화를 보이며, 최적 도핑 조건(x ≈ 0.116) 근처에서 최대 연화가 관찰된다.
• C₁₁ 및 C₃₃는 최적 도핑 조건 근처에서 현저한 연화를 보이며, C₄ 대칭(Γ₁)의 구조적 변동 존재를 시사하며, QCP 근처에서 다양한 변동 모드 존재를 시사한다.
• 상하층 응력에 대한 Grüneisen 계수(Ω_c)는 QCP에 가까워질수록 크게 증가하는 반면, 면내 응력에 대한 계수(Ωₐ)는 감소함으로써 이방성 격자 반응이 확인된다.
• 초전도 상태의 탄성 이질성(ΔCₛ)과 정상 상태 이질성(−ΔCₙ)의 비율은 0.28이며, 이는 밴드 전자 중 28%만이 탄성 연화에 기여하며, 나머지 72%는 금속성 또는 비초전도 성질을 가짐을 시사한다.
• ΔCₛ는 Co 농도 증가에 따라 급격히 감소하여 x = 0.116에서 거의 0이 되지만, 여전히 잔류 T_sc = 10.5 K 유지됨으로써 단순 BCS 유형의 거동 붕괴를 시사한다.
• C₃₃와 C₆₆의 연화 간 상관관계는 QCP 근처에서 C₂(C₆₆) 및 C₄(C₁₁/C₃₃) 변동 간 상호작용이 있음을 시사하며, 이는 이 시스템에서 고 T_sc를 유도할 수 있음.