[논문 리뷰] Comparison of temperature and doping dependence of nematic susceptibility near a putative nematic quantum critical point

Johanna C. Palmstrom, Philip Walmsley외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전자 도핑된 Ba(Fe1−xCox)2As2에서 고자기장 탄성저항측정을 통해 나제틱 양자임계점의 특성을 조사한다. 잠재적 양자임계점 근처에서 도핑에 따라 거듭제곱 법칙 스케일링을 관찰하지만, 온도 의존성이 비보편적이어서 철계 초전도체에서 예상되는 보편적 양자임계점 스케일링과 모순된다.

ABSTRACT

Strong electronic nematic fluctuations have been discovered near optimal doping for several families of Fe-based superconductors, motivating the search for a possible link between these fluctuations, nematic quantum criticality, and high temperature superconductivity. Here we probe a key prediction of quantum criticality, namely power law dependence of the associated nematic susceptibility as a function of composition and temperature approaching the compositionally-tuned putative quantum critical point. To probe the 'bare' quantum critical point requires suppression of the superconducting state, which we achieve by using large magnetic fields, up to 45 T, while performing elastoresistivity measurements to follow the nematic susceptibility. We performed these measurements for the prototypical electron-doped pnictide, Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$, over a dense comb of dopings. We find that close to the putative quantum critical point, the nematic susceptibility appears to obey power law behavior over almost a decade of variation in composition, consistent with basic notions of nematic quantum criticality. Paradoxically, however, we also find that the temperature dependence for compositions close to the critical value cannot be described by a single power law. This is surprising as power law scaling in both doping and temperature is expected close to a quantum critical point.

연구 동기 및 목표

• 양자임계점 근처에서 나제틱 감수율이 도핑과 온도 모두에 대해 거듭제곱 법칙 스케일링을 따른다는 예측을 테스트하기 위해.
• 철계 초전도체에서의 나제틱 플럭츄에이션은 진정한 양자임계점에 의해 유도되는지, 아니면 경쟁 상호작용으로 인해 회피된 임계점에 의해 유도되는지 규명하기 위해.
• 초전도성을 45 T까지의 자기장으로 억제하여 '기본' 양자임계점에 접근하고 내재된 나제틱 감수율을 측정하기 위해.
• 최적 도핑된 철계 초전도체에서 관측된 나제틱 플럭츄에이션이 최근 관측 결과에 따라 양자임계점에 기인하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 45 T 이하의 자기장에서 고자기장 탄성저항측정을 수행하여 초전도성을 억제하고 Ba(Fe1−xCox)2As2에서 나제틱 감수율을 조사하였다.
• 수정된 몰리슨 구성으로 [110] 및 [1̄10] 방향에 대한 동시에 저항 측정을 수행하여 나제틱 반응을 탐지하였다.
• 피에조전기 스택을 통해 단결정 시료에 축방향 압력을 가하고, 그로 인한 변형에 따른 저항 변화를 락인 검출을 통해 측정하였다.
• 이중 모드 락인 증폭기 구조를 통해 사이드밴드와 평균 전압을 직접 측정하였으며, 노이즈를 감소시키기 위해 사비츠키-골라 필터링을 적용하였다.
• 도핑 범위가 밀도 있게 분포된 시료(x ≈ 0.068에서 0.15)를 사용하였으며, 전자 마이크로프로브 분석을 통해 정밀한 제어(표준편차 < 0.002)를 실시하였다.
• 측정는 National High Magnetic Field Lab(45 T)와 Quantum Design PPMS(14 T)에서 수행되었으며, 온도 스윕은 제어된 속도로 진행되고 가열량이 <0.15 K 이하로 최소화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba(Fe1−xCox)2As2에서 나제틱 감수율은 잠재적 양자임계점 근처에서 예측된 바와 같이 도핑에 대해 거듭제곱 법칙 스케일링을 보이는가?
• RQ2 임계 도핑 근처에서 나제틱 감수율의 온도 의존성이 양자임계점에 기대하는 바와 같이 단일 거듭제곱 법칙으로 기술될 수 있는가?
• RQ3 45 T 이하의 자기장을 사용하여 초전도성을 효과적으로 억제할 수 있는가? 이를 통해 내재된 나제틱 반응에 접근할 수 있는가?
• RQ4 철계 초전도체에서 관측된 나제틱 플럭츄에이션은 진정한 양자임계점에 기인하는가, 아니면 경쟁 상호작용으로 인해 임계점이 회피된 상태인가?

주요 결과

• 임계점 근처에서 나제틱 감수율은 도핑에 대해 거듭제곱 법칙 의존성을 보이며, χ ∝ |x − xc|−γ 로 표현되며, 거의 10년에 걸친 조성 변화 범위에서 양자임계점 스케일링과 일치한다.
• 거듭제곱 법칙 도핑 의존성에도 불구하고, 임계도핑 근처의 온도 의존성은 단일 거듭제곱 법칙으로 기술될 수 없으며, 표준 양자임계점 이론과 정면으로 배치된다.
• 초전도 전이 온도 이하에서 나제틱 반응에 자기장 의존성이 없음을 확인함으로써, 관측된 신호가 내재된 것이며 비틀림 효과 등에 기인하지 않음을 확인하였다.
• 데이터는 나제틱 플럭츄에이션이 임계점 근처에서 강화되지만, 시스템이 보편적 양자임계점 행동을 보이지 않을 수 있음을 시사하며, 이는 회피된 임계점 또는 추가적인 경쟁 오더의 존재를 시사한다.
• 비보편적 온도 스케일링은 임계 지수 zν 가 일정하지 않음을 시사하며, 이는 이 시스템에서 나제틱 양자임계점의 보편성에 도전한다.
• 이 연구는 고자기장(최대 45 T)이 전자 도핑된 철산화물계에서 초전도성을 억제하고 진정된 나제틱 반응에 접근하기 위해 필수적임을 입증하였다.