[论文解读] Mass enhancement in multiple bands approaching optimal doping in a high-temperature superconductor

Camilla M. Moir, Scott Riggs+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 33被引用 3

一句话总结

本研究通过在BaFe2(As1−xPx)2中进行高磁场比热测量，直接探测了最佳掺杂附近电子准粒子质量的增强。通过施加磁场抑制超导性，研究人员提取了正常态的电子态密度，并发现反质量的线性外推在临界掺杂量x ≈ 0.28 ± 0.015处趋于零，表明量子临界点驱动了这种铁基超导体中的质量增强。

ABSTRACT

Pnictides provide an opportunity to study the effects of quantum criticality in a multi-band high temperature superconductor. Quasiparticle mass divergence near optimal doping, observed in two major classes of high-temperature superconductors, pnictides and cuprates, is a direct experimental indicator of enhanced electronic interactions that accompany quantum criticality. Whether quasiparticles on all Fermi surface pockets in BaFe2(As1-xPx)2 are affected by quantum criticality is an open question, which specific heat measurements at high magnetic fields can directly address. Here we report specific heat measurements up to 35T in BaFe2(As1-xPx)2 over a broad doping range, 0.44 <= x <= 0.6. We observe saturation of C/T in the normal state at all dopings where superconductivity is fully suppressed. Our measurements demonstrate that quasiparticle mass increases towards optimal doping in multiple pockets, some of which exhibit even stronger mass enhancement than previously reported from quantum oscillations of a single pocket.

研究动机与目标

• 在高温超导体最佳掺杂附近直接测量准粒子质量，避免依赖超导转变跳变的模型假设。
• 通过探测正常态的电子态密度，检验铁基超导体中量子临界性的假设。
• 通过提供质量增强的热力学测量，解决对量子振荡数据解释的分歧。
• 确定在最佳掺杂附近观测到的质量发散是否与铜氧化物中的量子临界点一致。

提出的方法

• 在BaFe2(As1−xPx)2样品上进行沿c轴方向施加磁场的高磁场比热测量，覆盖广泛的掺杂范围。
• 利用高场（H > H_sat）下比热C/T的饱和行为，提取正常态电子态密度(C/T)_sat。
• 分析低场下偏离√H行为的特征，以识别节点型超导能隙，与线节点配对对称性一致。
• 从(C/T)_sat中减去零场外推的C/T值(C/T)_extrap，以分离出准粒子对态密度的贡献。
• 通过与磁场无关的组分(C/T)_H确定提取的准粒子质量的倒数，该组分与超导费米口袋上的总准粒子质量成正比。
• 通过将反质量线性外推至零，估算质量发散的临界掺杂量。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaFe2(As1−xPx)2中的准粒子质量是否如量子振荡数据所暗示的那样，在最佳掺杂附近出现发散？
• RQ2 能否通过高磁场抑制超导性，在高温超导体中直接测量正常态的电子态密度？
• RQ3 所观测到的质量增强是否与铜氧化物中观察到的量子临界点一致？
• RQ4 低场下观测到的背景C/T组分(γ_bg)的来源是什么？它是否影响质量增强的解释？
• RQ5 正常态中与磁场无关的电子熵如何与平面子耗散理论和线性场依赖电阻率理论相协调？

主要发现

• 在H > H_sat时C/T的高场饱和行为为BaFe2(As1−xPx)2中正常态电子态密度提供了直接测量，实现了对准粒子质量的无模型确定。
• 反质量在临界掺杂量x ≈ 0.28 ± 0.015处线性外推至零，表明在最佳掺杂附近有效质量出现发散。
• 观测到的质量发散与量子临界点一致，支持铁基与铜氧化物高温超导体中超导性的共同量子临界起源。
• 背景C/T组分(γ_bg)随掺杂量增加而增大，但不太可能是成对破缺所致，因为低场下偏离√H行为的特征随x增加而减弱，与成对破缺的预期相反。
• 在H_sat以上，正常态电子熵几乎与磁场无关，与平面子耗散理论预测相矛盾，提示需对这些材料中量子临界性的现有理论模型进行修正。
• 测得的质量增强与超导费米口袋强烈相关，证实增强的关联效应是最佳掺杂附近超导态的本征性质。