[논문 리뷰] Nematic crossover in BaFe$_2$As$_2$ under uniaxial stress

Xiao Ren, Lian Duan외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 08.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라만 스펙트로스코피를 사용하여 단축응력—적용된 응력과 잔류응력 모두—이 BaFe₂As₂에서 구조 전이 온도 Tₛ 이상에서 나치드 상태 전이를 유도함을 보여주며, 이는 이전에 관측된 C₄ 대칭성 붕괴가 전자적 나치드 상태가 아니라 응력에 의한 산물임을 설명한다. 결과는 BaFe₂As₂에서 자발적 나치드 상태가 Tₛ 이하에서만 시작됨을 지지하며, 전기적 성질 측정과 스펙트로스코피 데이터 사이의 모순을 해소한다.

ABSTRACT

Raman scattering can detect spontaneous point-group symmetry breaking without resorting to single-domain samples. Here we use this technique to study $\mathrm{BaFe_2As_2}$, the parent compound of the "122" Fe-based superconductors. We show that an applied compression along the Fe-Fe direction, which is commonly used to produce untwinned orthorhombic samples, changes the structural phase transition at temperature $T_{\mathrm{s}}$ into a crossover that spans a considerable temperature range above $T_{\mathrm{s}}$. Even in crystals that are not subject to any applied force, a distribution of substantial residual stress remains, which may explain phenomena that are seemingly indicative of symmetry breaking above $T_{\mathrm{s}}$. Our results are consistent with an onset of spontaneous nematicity only below $T_{\mathrm{s}}$.

연구 동기 및 목표

• BaFe₂As₂에서 나치드 상태가 구조 전이 온도 Tₛ 이상에서 시작되는지 아니면 오직 그 이하에서만 시작되는지 확인하는 것.
• 적용된 응력과 잔류단축응력이 라만 스펙트럼에서 나치드 행동을 어떻게 모방하는지 조사하는 것.
• 나치드 상태의 시작에 관해 전기적 성질 측정, 열역학적 측정, 스펙트로스코피 측정 간의 모순을 명확히 하는 것.
• Tₛ 이상에서 관측된 C₄ 대칭성 붕괴가 전자적 나치드 상태인지 아니면 응력에 의한 격자 비대칭성인지 평가하는 것.
• 결정 성장 및 표면 처리 과정에서 발생하는 잔류응력이 진동자유도의 degeneracy에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 자기로 떨어진 상태와 단축응력이 가해진 BaFe₂As₂ 단결정에 대해 (ac)-편광 기하학을 사용하여 라만 스펙트로스코피를 수행하였다.
• BeCu 시트를 사용하여 Fe-Fe 방향으로 약 5 MPa의 단축압축응력을 가하여 이완을 유도하였다.
• 응력이 가해진 샘플과 자기로 떨어진 샘플 간의 E_g 진동자유도 피크 위치와 반폭을 비교하여 대칭성 붕괴를 탐지하였다.
• Landau 이론을 사용하여 피크 분리와 넓이 증가의 온도 의존성을 피팅하였으며, ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1 라는 가정을 하였다.
• E_g 피크 폭의 공간적 비균일성을 맵핑하여 잔류응력이 있는 영역를 식별하였다.
• 응력이 가해진 샘플에서의 비정상적인 피크 넓이 증가 현상과 자기로 떨어진 샘플의 결과를 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaFe₂As₂에서 Tₛ 이상에서 관측된 C₄ 대칭성 붕괴는 전자적 나치드 상태에서 기인하는 것인가, 아니면 응력에 의한 격자 비대칭성에서 기인하는 것인가?
• RQ2 적용된 단축응력이 Tₛ 이상에서 오르토로브식 비대칭성과 진동자유도 분리를 얼마나 유도하는가?
• RQ3 자기로 떨어진 샘플에서 관측된 E_g 진동자유도의 비정상적인 넓이 증가 현상은 잔류응력에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 명백히 응력이 없는 BaFe₂As₂ 단결정에서의 잔류응력 크기는 얼마이며, 대칭성 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 BaFe₂As₂에서 나치드 상태의 시작이 진정으로 Tₛ 이상에서 이루어지는가, 아니면 명백한 실험적 신호에도 불구하고 Tₛ 이하로 국한되어 있는가?

주요 결과

• 약 5 MPa의 적용된 단축응력이 Tₛ 이상에서 BaFe₂As₂에서 나치드 상태 전이를 유도하며, 이로 인해 E_g 진동자유도 피크의 분리가 측정 가능하게 발생한다.
• 응력이 가해진 샘플에서 피크 분리의 온도 의존성이 Landau 이론에 잘 맞으며, ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1 형태를 따르며, 시작점은 약 157 K 근처이다.
• 자기로 떨어진 샘플에서 Tₛ 이상에서 관측된 E_g 진동자유도의 비정상적인 넓이 증가는 응력에 의한 분리 모델에 의해 정량적으로 일치된다.
• 성장 결함나 표면 처리로 인한 것으로 보이는 약 1–2 MPa의 잔류응력은 명백히 응력이 없는 샘플에서 관측된 넓이 증가를 설명할 수 있다.
• 잔류응력이 거의 없는 영역에서는 실험적 해상도 범위 내에서 Tₛ 이상에서도 C₄ 대칭성이 유지된다.
• 결과는 진정한 자발적 나치드 상태가 BaFe₂As₂에서 Tₛ 이하에서만 시작됨을 강력히 지지하며, Tₛ 이상에서는 그렇지 않다.