[论文解读] Diverse fluctuations and anisotropic Gr{\" u}neisen parameter behavior in iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ and their correlation with superconductivity

Chiaki Fujii, Shalamujiang Simayi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究探究了钴掺杂Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂中的弹性软化与各向异性 Grüneisen 参数，揭示了在量子临界点（QCP）附近，c轴晶格涨落与C₄对称性结构涨落强烈关联于高温超导。各向异性 Grüneisen 参数显示，在QCP附近，层间应变贡献显著增强，表明c轴拉长与面内压缩协同作用可增强超导转变温度（T_sc）。

ABSTRACT

In this study, the temperature dependence of elastic constants $C_{11}$, $C_{33}$, $C_{ m E} = (C_{11}-C_{12})/2$, $C_{66}$ and $C_{44}$ of the iron-based superconductor Ba(Fe$_{1-x}$Co$_{x}$)$_{2}$As$_{2}$ (0 $\leqq x \leqq$ 0.245) have been measured. This system shows a large elastic softening in $C_{66}$ towards low temperatures. In addition to $C_{66}$, which originates from orthorhombic structural fluctuation, the samples near the optimal concentration show remarkable structural fluctuation in $C_{11}$ and $C_{33}$ elastic modes, which correspond to $Γ_{1}$ (C4) symmetry. It suggests the existence of diverse fluctuations in this system. Gr{\" u}neisen parameters were analyzed under some assumptions for structural and magnetic transition temperatures. Results showed that the Gr{\" u}neisen parameters for the inter-plane strain are remarkably enhanced toward the QCP, while those for the in-plane stress tend to turn down near the QCP. Gr{\" u}neisen parameters for the superconducting transition are anisotropic and shows remarkable Co-concentration dependence, suggesting that the in-plane isotropic compression and inter-layer elongation enhance the superconductivity. The correlation of Gr{\" u}neisen parameters between $T_{ m S}$, $T_{ m N}$ and $T_{ m sc}$ shows $c$-axis elongation and its relevant role in the emergence of superconductivity in this system.

研究动机与目标

• 理解结构涨落在铁基超导体中的作用，特别是Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂中的作用。
• 分析各向异性 Grüneisen 参数及其与超导转变温度（T_sc）的相关性。
• 确定不同晶格取向中的弹性软化如何与量子临界点（QCP）附近的电子不稳定性相关。
• 探索通过晶格工程，单轴压力与化学掺杂如何增强T_sc。

提出的方法

• 测量单晶Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0 至 0.245）在温度依赖下的弹性常数C₁₁、C₃₃、C_E、C₄₄与C₆₆。
• 在假设结构与磁性转变温度的前提下，利用Grüneisen参数形式化分析弹性异常。
• 将C₆₆（C₂对称性）与C₁₁/C₃₃（C₄对称性）的弹性软化与接近量子临界点的相关性进行关联。
• 在假设全间隙s₊₊配对对称性的前提下，评估正常态弹性异常（ΔCₙ）与超导态弹性异常（ΔCₛ）之间的关系。
• 利用电荷磁化率模型解释能带对弹性异常的贡献及其在T_sc以下的抑制效应。
• 比较面内应力（Ωₐ）与层间应变（Ω_c）的Grüneisen参数，揭示二者符号相反并在整体Ω中相互抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 在钴掺杂Ba(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂中，C₆₆、C₁₁与C₃₃模式的弹性软化如何与超导转变温度相关？
• RQ2 各向异性 Grüneisen 参数在量子临界点附近对稳定或增强T_sc起何作用？
• RQ3 为何超导弹性异常（ΔCₛ）无法完全补偿正常态异常（−ΔCₙ）？这对配对对称性有何含义？
• RQ4 C₂与C₄结构涨落在促进铁基超导体中高T_sc方面如何协同作用？
• RQ5 单轴压力或化学掺杂是否可通过促进c轴拉长与面内压缩来增强T_sc？

主要发现

• C₆₆因正交结构涨落而表现出强烈的弹性软化，其软化程度在最佳掺杂处（x ≈ 0.116）最大。
• C₁₁与C₃₃在最佳掺杂附近表现出显著软化，表明存在C₄对称性（Γ₁）结构涨落，暗示在QCP附近存在多种涨落模式。
• 层间应变的Grüneisen参数（Ω_c）在接近量子临界点时显著增强，而面内应力的Grüneisen参数（Ωₐ）则减小，表明晶格响应具有显著各向异性。
• 超导态弹性异常（ΔCₛ）与正常态异常（−ΔCₙ）的比值为0.28，表明仅有28%的能带电子参与弹性软化，其余72%为无能隙或非超导态。
• 随着Co浓度增加，ΔCₛ迅速减小，在x = 0.116时几乎归零，尽管此时仍存在残余T_sc = 10.5 K，表明简单BCS行为的破坏。
• C₃₃与C₆₆软化的相关性表明，在QCP附近C₂（C₆₆）与C₄（C₁₁/C₃₃）涨落之间存在协同效应，这可能是该体系中高T_sc的驱动力。