[논문 리뷰] Terahertz pulse-driven collective mode in the nematic superconducting state of Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$

Romain Grasset, Kota Katsumi외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 19.

Iron-based superconductors research참고 문헌 61인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 철계 초전도체 Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂에서 집합 모드를 탐사하기 위해 강력한 테라헤르츠(THz) 펄스를 사용하여, 허그스 진폭 모드와는 다름없이 네미틱성에 의해 유도된 집합 모드를 밝혀냈다. 네미틱-초전도 상의 공존 영역에서, THz 케르 신호는 C4 대칭에서 순수하게 네미틱으로 변화하며, s+d-파 초전도성 쌍정렬 혼합에 의해 유도된 새로운 초전도 집합 모드—가장 가능성 높은 후보로 바르다시-슈리프어 모드—의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the iron-based superconductor Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ using intense terahertz (THz) light. In the superconducting state a THz Kerr signal is observed and assigned to non-linear THz coupling to superconducting degrees of freedom. The polarization dependence of the THz Kerr signal is remarkably sensitive to the coexistence of a nematic order. In the absence of nematic order the $C_4$ symmetric polarization dependence of the THz Kerr signal is consistent with a coupling to the Higgs amplitude mode of the superconducting condensate. In the coexisting nematic and superconducting state the signal becomes purely nematic with a vanishing $C_4$ symmetric component, signaling the emergence of a new superconducting collective mode activated by nematicity.

연구 동기 및 목표

• 철계 초전도체에서 네미틱 질서가 초전도 집합 모드에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 초전도 상태에서 네미틱성이 비선형 THz 반응을 어떻게 수정하는지 확인하기 위해.
• 공존하는 네미틱과 초전도 상에서 새로 관측된 집합 모드의 성격을 규명하기 위해.
• 편광 의존적 THz 케르 분광법을 통해 허그스 모드 결합과 다른 집합 모드를 구별하기 위해.

제안 방법

• 1.5 eV NIR 탐사 펄스와 100 fs 이하의 THz 펄스를 사용한 강력한 테라헤르츠 펌프-광학 반사도 탐측(TPOP) 측정을 수행하였다.
• THz 전기장의 제곱에 비례하는 순순간 THz 케르 효과를 측정하여 비선형 광학 반응을 탐사하였다.
• D4h 점군에서의 세차 비선형 감수율 χ(3)의 편광 의존성을 분석하여 C4 대칭 성분과 네미틱(B1g) 성분으로 분해하였다.
• 네미틱 이방성 하에서 허그스 모드 반응을 이론적으로 모델링하여, 관측된 신호가 전자 구조적 이방성만으로 설명될 수 있는지 테스트하였다.
• 두 개의 단일 결정(UD37: 네미틱 질서 없음, Tc = 37 K; UD26: 네미틱과 초전도 질서 공존, Tc = 26 K) 간의 실험 결과를 비교하였다.
• Raman 분광법과 ARPES 데이터를 활용하여, THz 펌프 에너지가 Γ 중심의 구멍 포켓 초전도 갭(2Δh ≈ 20 cm⁻¹)에 할당됨을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂에서 네미틱 질서가 허그스 진폭 모드 이외의 새로운 초전도 집합 모드를 유도하는가?
• RQ2 네미틱 질서가 초전도성과 공존할 경우, THz 케르 신호의 편광 의존성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 THz 케르 신호의 네미틱 성분은 전자 구조의 이방성만으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 네미틱-초전도 상에서 C4 대칭 성분이 완전히 억제되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 관측된 모드는 혼합 s+d-파 초전도 상태에서의 바르다시-슈리프어 모드와 일치하는가?

주요 결과

• 네미틱 질서가 없는 경우(UD37), THz 케르 신호는 C4 대칭을 보이며, 이는 허그스 진폭 모드와의 비선형 결합과 일치한다.
• 네미틱과 초전도 질서가 공존하는 영역(UD26)에서, THz 케르 신호는 순수하게 네미틱 성분을 가지며 C4 대칭 성분은 거의 없어진다.
• C4 대칭 성분의 완전한 억제는 전자 이방성만으로는 설명될 수 없으며, 허그스 모드를 초월한 새로운 집합 모드의 존재를 시사한다.
• 이론적 모델링 결과, 네미틱 분열 에너지만으로는 관측된 네미틱 채널에서의 신호 우세도를 설명할 수 없다.
• 데이터는 s+d-파 초전도 상태에서 네미틱 질서 파라미터와 결합된 새로운 집합 모드—가장 가능성 높은 후보로 바르다시-슈리프어 모드—의 존재를 강력히 시사한다.
• UD26에서 UD37보다 더 강한 감쇠 신호가 관측된 것은 C2 상에서 d-파 성분의 혼합에 기인한 갭 이방성 증가와 일치한다.