[論文レビュー] Nematic crossover in BaFe$_2$As$_2$ under uniaxial stress

Xiao Ren, Lian Duan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究ではラマン分光法を用いて、単軸応力（印加および残留）が、構造転移温度 Tₛ よりも高い温度で BaFe₂As₂ にネマチック遷移を誘発することを示した。これは、過去の C₄ 対称性の破れが電子的ネマチック性ではなく応力に起因する偽装現象であることを説明する。結果は、BaFe₂As₂ における自発的ネマチック性が Tₛ 以下でのみ開始されることを支持し、輸送および分光的測定結果の矛盾を解消する。

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 $T_{\mathrm{s}}$.

研究の動機と目的

• BaFe₂As₂ におけるネマチック性が構造転移温度 Tₛ よりも高い温度で始まるのか、それとも Tₛ 以下でのみ始まるのかを特定すること。
• 印加および残留する単軸応力がラマンスペクトルにおけるネマチック行動を模倣する役割を調査すること。
• 輸送、熱力学的および分光的測定結果の間に生じる矛盾を解消し、ネマチック秩序の開始時期を明確にすること。
• Tₛ よりも高い温度で観察された C₄ 対称性の破れが、電子的ネマチック性に起因するのか、それとも応力誘起の格子歪みに起因するのかを評価すること。
• 結晶成長および表面処理に起因する残留応力がフォノンの degeneracy に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 自由な状態および単軸応力がかかる BaFe₂As₂ 単結晶に対して、(ac)-偏光幾何配置を用いてラマン分光法を実施した。
• ベリリウム銅（BeCu）シートを用いて、Fe-Fe 方向に約 5 MPa の単軸圧縮応力を印けて、タングルの除去（デトゥインニング）を誘導した。
• 応力のかかった試料と自由な状態の試料との間で、E_g フォノンのピーク位置および半値幅を比較し、対称性の破れを検出する。
• Landau理論を用いて、ピーク分裂および幅広がりの温度依存性をフィットし、ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1 の仮定に基づいた解析を実施した。
• E_g ピーク幅の空間的不均一性をマップすることで、残留応力が存在する領域を同定した。
• 応力のかかった試料における分裂に起因する異常なピーク幅広がりと、自由な状態の試料における異常な幅広がりを相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFe₂As₂ において Tₛ よりも高い温度で観察された C₄ 対称性の破れは、電子的ネマチック性に起因するのか、それとも応力誘起の格子歪みに起因するのか？
• RQ2 印加された単軸応力が、Tₛ よりも高い温度で正方晶歪みおよびフォノン分裂をどの程度誘発するのか？
• RQ3 自由な状態の試料における E_g フォノンの異常な幅広がりは、残留応力によって説明可能か？
• RQ4 表向き自由な状態の BaFe₂As₂ 単結晶に存在する残留応力の大きさはどの程度で、それが対称性検出にどのように影響を与えるか？
• RQ5 BaFe₂As₂ におけるネマチック性の開始は、実際に Tₛ よりも高い温度で起こっているのか、それとも実験的信号にかかわらず Tₛ 以下に限定されているのか？

主な発見

• 約 5 MPa の印加単軸忤力が、Tₛ よりも高い温度で BaFe₂As₂ にネマチック遷移を誘発し、E_g フォノンピークの顕著な分裂を引き起こした。
• 応力のかかった試料におけるピーク分裂の温度依存性は、Landau理論に従い、ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1 と表され、開始温度は約 157 K 付近であった。
• 自由な状態の試料において観察された E_g フォノンの異常な幅広がりは、応力誘起分裂モデルによって定量的に一致した。
• 結晶成長欠陥や表面処理に起因する残留応力（約 1–2 MPa）が、表向き応力なしとされる試料における観察された幅広がりを説明できる。
• 残留応力がほとんどない領域では、Tₛ よりも高い温度で系は実験的分解能の範囲内で C₄ 対称性を保っていた。
• これらの結果は、BaFe₂As₂ における真の自発的ネマチック性が、Tₛ 以下でのみ開始されることを強く支持する。