[论文解读] Comparison of temperature and doping dependence of nematic susceptibility near a putative nematic quantum critical point

Johanna C. Palmstrom, Philip Walmsley+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过高场弹光电阻率探测电子掺杂Ba(Fe1−xCox)2As2中的向列量子临界行为，发现接近假定的量子临界点时，掺杂依赖性呈现幂律标度，但温度依赖性非普适，挑战了铁基超导体中预期的普适量子临界行为。

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.

研究动机与目标

• 检验量子临界理论预测：在量子临界点附近，向列 susceptibility 应呈现掺杂和温度的幂律标度。
• 确定铁基超导体中的向列涨落是否由真正的量子临界点驱动，还是由于竞争相的存在而避免临界行为。
• 利用高达45 T的磁场抑制超导性，以探测‘本征’量子临界点并测量内在的向列 susceptibility。
• 确定在最佳掺杂的铁基超导体中观测到的向列涨落是否源于量子临界性，如近期观测所建议。

提出的方法

• 在高达45 T的磁场中进行高场弹光电阻率测量，以抑制超导性并探测Ba(Fe1−xCox)2As2中的向列 susceptibility。
• 采用改进的Montgomery结构，实现沿[110]和[1̄10]方向的同步电阻率测量，以检测向列响应。
• 通过压电堆栈对单晶样品施加单轴应力，并利用锁相检测测量由此产生的应变诱导电阻率变化。
• 采用双模式锁相放大系统，直接测量边带和平均电压，并应用Savitzky-Golay滤波以降低噪声。
• 样品在宽范围的成分范围内进行钴掺杂（x ≈ 0.068 至 0.15），通过电子探针分析实现精确控制（标准偏差 < 0.002）。
• 测量在国家高场磁实验室（45 T）和Quantum Design PPMS（14 T）进行，温度扫描以受控速率进行，加热量极小（<0.15 K）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在假定的量子临界点附近，Ba(Fe1−xCox)2As2中的向列 susceptibility 是否如量子临界理论所预测的那样，呈现与掺杂的幂律标度？
• RQ2 在临界掺杂附近，向列 susceptibility 的温度依赖性是否与单一幂律一致，如量子临界性所预期？
• RQ3 能否有效利用高达45 T的磁场抑制超导性，以探测本征的向列响应？
• RQ4 在铁基超导体中观测到的向列涨落是否源于真正的量子临界点，还是由于竞争相的存在而避免了临界行为？

主要发现

• 在临界点附近，向列 susceptibility 表现出与掺杂的幂律依赖，χ ∝ |x − xc|−γ，与近一个数量级掺杂变化范围内的量子临界标度一致。
• 尽管掺杂依赖性符合幂律，但在临界掺杂附近，向列 susceptibility 的温度依赖性无法用单一幂律描述，与标准量子临界预期相矛盾。
• 在零场超导转变温度以上，向列响应无磁场依赖性，证实所观测信号为本征响应，非源于涡旋效应。
• 数据表明，尽管临界点附近向列涨落被增强，但系统可能不表现出普适的量子临界行为，提示可能存在避免临界行为或额外的竞争序。
• 观测到的非普适温度标度意味着临界指数 zν 可能非常量，挑战了该体系中向列量子临界点的普适性。
• 本研究证明，高达45 T的强磁场对于抑制超导性并探测电子掺杂铁砷化物中的真实向列响应至关重要。