[논문 리뷰] On the origin of critical nematic fluctuations in pnictide superconductors

Shan Wu, Weilu Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 17.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Au 도핑된 Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$ 초전도체에서 임계 비대칭(fluctuations)의 기원으로 거의 degenerate한 $d_{xz}$ 및 $d_{yz}$ 오비탈 간의 전하 쿼드루폴 플럭투에이션을 규명한다. 편광 해상도 Raman 스펙트로스코피를 통해 $T_S$ 이상에서 $B_{2g}$ 채널의 정적 Raman 감수도가 Curie-Weiss 법칙을 따르며, Weiss 온도 $T_\theta(x)$ 가 도핑에 따라 감소하여 양자临계점 $x_c = 0.031$ 에서 0이 되는 것으로 밝혀졌다. 이는 초전도 전이 온도 $T_c = 2.5$ K 와 일치하며, 비대칭 양자 임계점과 비국소 초전도성 간의 직접적인 연관성을 시사한다.

ABSTRACT

We employ polarization-resolved Raman spectroscopy to study critical nematic fluctuations in Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)$_2$As$_2$ superconductors above and across well separated tetragonal to orthorhombic phase transition at temperature $T_S(x)$ and the Néel transition at $T_N(x)$. The static Raman susceptibility in $XY$ symmetry channel increases upon cooling from room temperature following the Curie-Weiss law, with Weiss temperature $T_θ(x)$ several tens of degrees lower than $T_S(x)$. Data reveals a hidden nematic quantum critical point at $x_{c} = 0.031$ when the system becomes superconducting, indicating a direct connection between quantum critical nematic fluctuations and unconventional superconductivity. We attribute the origin of the nematicity to charge quadrupole fluctuations due to electron transfer between the nearly degenerate $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals.

연구 동기 및 목표

• Fe 기반 초전도체에서 임계 비대칭 플럭투에이션의 미세 구조 기원을 규명하는 것, 특히 구조 전이와 자성 전이가 분리된 시스템에서의 경우.
• Au 도핑된 Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$ 를 연구하여 전하 및 스핀 플럭투에이션의 기여를 분리함으로써 비대칭성에 기여하는 요소를 규명하는 것.
• 비대칭 플럭투에이션이 궤도/전하 자유도에서 기인하는지 아니면 자성 상호작용에서 기인하는지 확인하는 것.
• 비대칭 양자 임계점과 비국소 초전도성의 발생 간의 연관성을 조사하는 것.

제안 방법

• 동적 Raman 반응을 측정하기 위해 $XY$ 대칭 채널, 특히 $B_{2g}$ 쿼드루폴 채널에서 편광 해상도 Raman 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 비정상적 Raman 감수도 $\chi''_{B_{2g}}(0,T,x)$ 는 동적 반응에서 추출하여 비대칭 플럭투에이션을 탐색하였다.
• 고온 감수도에 Curie-Weiss 법칙을 적용하여 Weiss 온도 $T_\theta(x)$ 를 추출하였다.
• 상도표 전반에서 $T_S(x)$, $T_N(x)$, $T_\theta(x)$, 전하 쿼드루폴 모멘트 $Q(x)$ 의 도핑 의존적 변화를 분석하였다.
• Curie 상수의 피팅을 통해 전하 쿼드루폴 모멘트 $Q(x)$ 를 추정하였으며, 이는 $d_{xz}$ 와 $d_{yz}$ 오비탈 간 전자 이동과 연결되었다.
• 자기 질서 파라미터는 $T_N$ 이하에서 감수도의 감소를 통해 추적되었으며, 이는 $Q(x)$ 와의 도핑 의존성과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe 기반 초전도체에서 임계 비대칭 플럭투에이션의 미세 기원은 전하 쿼드루폴인지 아니면 자성 플럭투인지?
• RQ2 Au 도핑된 Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$ 에서 비대칭 플럭투에이션은 구조 전이($T_S$) 및 자성 전이($T_N$)를 통해 어떻게 변화하는가?
• RQ3 도핑 비율 $x_c = 0.031$ 에서의 비대칭 양자 임계점은 초전도성의 시작과 일치하는가? 이는 쌍성 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 전하 쿼드루폴 모멘트 $Q(x)$ 와 자기 질서 파라미터 $M(x)$ 는 도핑에 따라 어떻게 변화하며, 이들의 반대 방향의 도핑 의존성은 무엇을 의미하는가?
• RQ5 왜 정적 Raman 감수도는 $T_S$ 에서 포화되며, $T_N$ 이하에서만 급격히 감소하는가?

주요 결과

• 정적 Raman 감수도가 $B_{2g}$ 채널에서 $T_S$ 이상에서 Curie-Weiss 법칙을 따르며, Weiss 온도 $T_\theta(x)$ 가 Au 도핑에 따라 감소하여 $x_c = 0.031$ 에서 0이 된다.
• 감수도는 $T_S$ 이하에서 더 이상 증가하지 않으며, 이는 비대칭 플럭투에이션이 자성 질서에 의해 유도되지 않고 궤도/전하 플럭투에 의해 유도됨을 시사한다.
• Curie 상수에서 유도된 전하 쿼드루폴 모멘트 $Q(x)$ 는 Au 도핑에 따라 단조적으로 증가하는 반면, 자기 질서 파라미터 $M(x)$ 는 감소한다.
• $T_N$ 이하에서 감수도의 감소는 스핀 밀도 파동(SDW) 갭의 발달과 상관되며, 이는 자성 질서가 비대칭 플럭투에이션을 억제함을 확인한다.
• 양자 임계점 $x_c = 0.031$ 은 초전도 도메인 내에 위치하며, $T_c = 2.5$ K 로 나타나, 비대칭 양자 임계점과 비국소 초전도성 간의 직접적인 연관성을 시사한다.
• 데이터는 거의 degenerate한 $d_{xz}$ 와 $d_{yz}$ 오비탈 간 전자 이동이 전하 쿼드루폴 모멘트 $Q(x)$ 를 생성하며, 이로 인해 비대칭성이 발생하는 시나리오를 지지한다.