[논문 리뷰] NMR evidence for inhomogeneous nematic fluctuations in BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

A. P. Dioguardi, T. Kissikov외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 P doping된 BaFe2(As1-xPx)2에서 비균일한 니ematic 변동에 대한 직접적인 NMR 증거를 제공하며, As 핵 스핀의 이중극 모멘트와 관련된 이중극 변동이 자성 변동을 초월해 스핀-격자 비탄성에 기여함을 보여준다. Ts에서 증가한 75As T1−1과 비틀어진 지수적 비탄성은 유리성 니ematic 역학을 시사하며, 철기반 초전도체에서 보편적인 니ematic 변동을 뒷받침한다.

ABSTRACT

We present evidence for nuclear spin-lattice relaxation driven by glassy nematic fluctuations in isovalent P-doped BaFe$_2$As$_2$ single crystals. Both the $^{75}$As and $^{31}$P sites exhibit stretched-exponential relaxation similar to the electron-doped systems. By comparing the hyperfine fields and the relaxation rates at these sites we find that the As relaxation cannot be explained solely in terms of magnetic spin fluctuations. We demonstrate that nematic fluctuations couple to the As nuclear quadrupolar moment and can explain the excess relaxation. These results suggest that glassy nematic dynamics are a universal phenomenon in the iron-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 75As 및 31P 위치에서의 NMR 측정을 통해 P-doped BaFe2(As1-xPx)2에서 이례적인 스핀-격자 비탄성의 기원을 조사한다.
• 니ematic 변동—자기 스핀 변동을 초월해—75As 위치에서 스핀-격자 비탄성에 기여하는가를 판단하기 위해 이중극 모멘트와의 결합 여부를 확인한다.
• Co- 및 Cu-doped 시스템과의 비교를 통해 유리성 니ematic 역동성의 보편성을 평가한다.
• 국소적 불순물과 비균일한 응력이 비균일한 비탄성 역동성의 원인으로 작용하는지 검토한다.

제안 방법

• x = 0.26 및 x = 0.33에서 BaFe2(As1-xPx)2의 단결정에서 75As 및 31P NMR 측정을 수행하였다.
• 스핀-격자 비탄성률(T1−1)과 초미세장 분석을 통해 자성 기여와 이중극 기여를 구별하였다.
• 비균일한 역동성을 모델링하기 위해 비틀어진 지수적 비탄성 함수를 사용하였다.
• 75As 비탄성률 대비 31P 비탄성률의 비율 T1−1(75As)/T1−1(31P)을 비교하여 As 비탄성에 기여하는 니ematic 변동의 기여를 분리하였다.
• 스핀 변동 이론과 자화율 스케일링을 기반으로 한 이론적 모델링을 통해 비탄성 거동을 해석하였다.
• 이중극 결합을 통한 국소 전기장 기울기(EFG) 변동의 역할을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 니ematic 변동은 자성 초미세 결합을 초월해 75As 핵 스핀-격자 비탄성에 기여하는가?
• RQ2 유사한 자성 초미세장이 존재하는 바에 불구하고 75As 비탄성률이 31P보다 증가한 이유는 무엇인가?
• RQ3 P-doped BaFe2(As1-xPx)2에서 관측된 비균일한 비탄성은 유리성 니ematic 역동성과 일치하는가?
• RQ4 등전자성 P-doping은 전자 또는 정공 도핑과 비교해 니ematic 변동의 보편성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 75As 및 31P 위치에서 관측된 비틀어진 지수적 비탄성 거동의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 75As 스핀-격자 비탄성률은 구조 전이 온도 Ts에서 (T1T)−1의 최대값을 보이며, 니ematic 변동과의 강한 결합을 나타낸다.
• T1−1(75As)/T1−1(31P) 비율은 자성 변동만으로 예측되는 것보다 높으며, 니ematic 질서에 기인한 이중극 변동의 기여가 뚜렷하게 나타난다.
• 75As 및 31P 모두 비틀어진 지수적 비탄성을 보이며, 이는 유리성 니ematic 변동과 일치하는 비균일한 역동성을 나타낸다.
• 등전자성 P-doping으로 인해 비탄성 거동이 변화하지 않아, 전자적 과도함—화학적 불순물이 아닌—이 유리성 역동성의 원인임을 시사한다.
• 니ematic 변동은 Ts 이상에서도 명확한 상전이 없이 지속되며, 테트라곤 형 상에서 임계 변동과 일치한다.
• 결과는 니ematic 변동이 철기반 초전도체에서 보편적인 역할을 하며, 초전도성 쌍성 메커니즘에 영향을 미칠 수 있음을 뒷받침한다.