[논문 리뷰] Mass enhancement in multiple bands approaching optimal doping in a high-temperature superconductor

Camilla M. Moir, Scott Riggs외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 26.

Iron-based superconductors research참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 최적 도핑 근처에서 전자 준입자 질량 증가를 직접적으로 조사하기 위해 BaFe2(As1−xPx)2에서 고자기장 열용량 측정을 수행한다. 자성장을 통해 초전도성을 억제함으로써 연구자들은 정상 상태의 전자 상태밀도를 추출하고, 역질량의 선형 외삽을 통해 임계 도핑 x ≈ 0.28 ± 0.015에서 0이 되는 것을 발견하여, 이 철기반 초전도체에서 질량 증가를 이끄는 양자临계점이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Pnictides provide an opportunity to study the effects of quantum criticality in a multi-band high temperature superconductor. Quasiparticle mass divergence near optimal doping, observed in two major classes of high-temperature superconductors, pnictides and cuprates, is a direct experimental indicator of enhanced electronic interactions that accompany quantum criticality. Whether quasiparticles on all Fermi surface pockets in BaFe2(As1-xPx)2 are affected by quantum criticality is an open question, which specific heat measurements at high magnetic fields can directly address. Here we report specific heat measurements up to 35T in BaFe2(As1-xPx)2 over a broad doping range, 0.44 <= x <= 0.6. We observe saturation of C/T in the normal state at all dopings where superconductivity is fully suppressed. Our measurements demonstrate that quasiparticle mass increases towards optimal doping in multiple pockets, some of which exhibit even stronger mass enhancement than previously reported from quantum oscillations of a single pocket.

연구 동기 및 목표

• 최적 도핑 근처의 고온 초전도체 정상 상태에서 준입자 질량을 모델 의존성 없는 가정 없이 직접 측정하기 위해.
• 정상 상태의 전자 상태밀도를 측정하여 철기반 초전도체에서의 양자临계성 가설을 검증하기 위해.
• 양자진동 데이터 해석의 모순을 해소하기 위해 질량 증가의 열역학적 측정을 제공하기 위해.
• 관측된 최적 도핑 근처의 질량 발산이 코프레이트 초전도체에서 관찰된 것과 유사한 양자临계점과 일관되는지 확인하기 위해.

제안 방법

• BaFe2(As1−xPx)2 표본에 대해 넓은 도핑 범위에서 c축 방향으로 자장을 적용하여 고자기장 열용량 측정을 수행하였다.
• 고자기장에서의 특정열용량 C/T의趋세 포화(> H_sat)를 이용하여 정상 상태의 전자 상태밀도 (C/T)_sat를 추출하였다.
• 저자기장에서의 √H 행동에서의 이탈을 분석하여 노드가 있는 초전도 격자 구조를 확인하였으며, 이는 선형 노드 쌍성 대칭과 일치하였다.
• (C/T)_extrap을 (C/T)_sat에서 빼내어 준입자 기여를 상태밀도에서 분리하였다.
• 장에 의존하지 않는 성분 (C/T)_H로부터 추출된 준입자 질량의 역수를 결정하였으며, 이는 초전도성 피어미 표면의 총 준입자 질량과 비례하였다.
• 역질량의 선형 외삽을 통해 질량 발산의 임계 도핑을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자진동 데이터가 시사하는 것처럼 BaFe2(As1−xPx)2의 준입자 질량은 최적 도핑 근처에서 발산하는가?
• RQ2 고자기장을 이용해 초전도성을 억제함으로써 고온 초전도체의 정상 상태 전자 상태밀도를 직접 측정할 수 있는가?
• RQ3 관측된 질량 증가는 코프레이트 초전도체에서 관찰된 것과 유사한 양자临계점과 일관되는가?
• RQ4 저자기장에서 관측된 배경 C/T 성분 (γ_bg)의 기원은 무엇이며, 질량 증가 해석에 영향을 미치는가?
• RQ5 정상 상태에서의 자기장에 의존하지 않는 전자 엔트로피는 플랑크-해산 이론과 선형 자기장 저항도와 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• H > H_sat에서 C/T의 고자기장 포화는 BaFe2(As1−xPx)2의 정상 상태 전자 상태밀도를 직접 측정할 수 있게 하여 준입자 질량의 모델에 의존하지 않는 결정을 가능하게 하였다.
• 역준입자 질량은 임계 도핑 x ≈ 0.28 ± 0.015에서 선형적으로 0으로 외삽되며, 이는 최적 도핑 근처에서 효과적 질량이 발산함을 시사한다.
• 관측된 질량 발산은 양자临계점과 일관되며, 철기반 및 코프레이트 고온 초전도체에서 초전도성의 공통된 양자临계 기원을 지지한다.
• 배경 C/T 성분 (γ_bg)는 도핑에 따라 증가하지만, 쌍파괴로 인한 것일 가능성은 낮으며, 저자기장에서의 √H 행동 이탈이 증가하는 x에 따라 감소함으로써 쌍파괴 기대와 정면으로 배치된다.
• 정상 상태에서 H_sat 이상의 자기장에서 전자 엔트로피는 거의 자기장에 의존하지 않으며, 플랑크-해산 이론 예측과 배치되어 이 물질의 양자临계성 이론 모델을 재고할 필요가 있음을 시사한다.
• 측정된 질량 증가는 초전도 피어미 표면과 강하게 상관되어 있으며, 증가한 상호작용이 최적 도핑 근처의 초전도 상태에 내재되어 있음을 확인한다.