[论文解读] Ultrafast pump-probe study of phase separation and competing orders in the underdoped (Ba,K)Fe$_{2}$As$_{2}$ superconductor

Elbert E. M. Chia, Diyar Talbayev+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究利用超快泵浦-探测光谱技术，在Tc以上揭示了欠掺杂(Ba,K)Fe₂As₂中存在一种前驱超导序，该序抑制了自旋密度波(SDW)序。在T* ~ 60 K时出现的正常态相，先于Tc ~ 28 K的超导转变，被识别为超导的前驱态，其特征为在介观相分离区域中存在竞争的SDW与SC涨落。

ABSTRACT

We report measurements of quasiparticle relaxation dynamics in the high-temperature superconductor (Ba,K)Fe$_{2}$As$_{2}$ in optimally doped, underdoped and undoped regimes. In the underdoped sample, spin-density wave (SDW) order forms at $\sim$85 K, followed by superconductivity at $\sim$ 28 K. We find the emergence of a normal-state order that suppresses SDW at a temperature $T^{\ast} \sim$ 60 K and argue that this normal-state order is a precursor to superconductivity.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂(Ba,K)Fe₂As₂中超导性、自旋密度波(SDW)序及竞争电子相之间的相互作用。
• 确定正常态序在抑制SDW中的作用及其与超导起始的关系。
• 探测准粒子弛豫动力学并识别与竞争序相关的能量尺度。
• 考察介观相分离及磁共振模式对电子响应的影响。

提出的方法

• 采用波长800 nm、脉宽40 fs、重复频率80 MHz、能量通量约0.2 μJ/cm²的超快激光脉冲进行超快泵浦-探测光谱测量。
• 在8 K至140 K的温度范围内测量光致反射率变化(ΔR/R)，以探测准粒子弛豫动力学。
• 对ΔR/R进行单指数衰减拟合，以提取弛豫振幅(A)和时间常数(τ)，并分析其随温度的变化行为。
• 应用Rothwarf-Taylor(RT)模型拟合弛豫动力学，以提取超导能隙参数。
• 对比欠掺杂、最佳掺杂及未掺杂样品的弛豫动力学，以分离与T*相关的现象。
• 利用磁化率测量确认Tc并排除铁磁杂质的影响，确保样品纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂(Ba,K)Fe₂As₂中观测到的T* ~ 60 K正常态相的本质与起源是什么？
• RQ2 T*处的前驱序如何与超导的出现及SDW序的抑制相关联？
• RQ3 介观相分离及部分费米面嵌套在准粒子弛豫动力学中起什么作用？
• RQ4 磁涨落及磁共振模式如何影响SDW与超导序参数？
• RQ5 所观测到的弛豫行为是否与宏观超导性之前的前驱超导态一致？

主要发现

• 在欠掺杂(Ba,K)Fe₂As₂中，T* ~ 60 K时出现正常态相，先于Tc ~ 28 K的超导转变，被识别为超导的前驱态。
• τ_slow随温度升高并在T*处达到峰值，表明费米能级处打开准粒子能隙，与前驱配对的出现一致。
• 快速弛豫分量的振幅A_fast在T*以下减小，表明前驱超导态抑制了SDW序。
• 弛豫动力学在Tc以上显示出明显的A_slow拖尾，表明存在与前驱超导涨落相关的赝能隙特征。
• 在超导相中，磁共振模式重整化了SDW涨落，导致超导态中τ_fast的弛豫速率低于正常态。
• 在欠掺杂(Ba,K)Fe₂As₂中观测到的T*/Tc > 2，与欠掺杂铜氧化物中的结果一致，提示存在普遍性的前驱机制。