[论文解读] Nematic crossover in BaFe$_2$As$_2$ under uniaxial stress

Xiao Ren, Lian Duan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2015

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究利用拉曼光谱表明，单轴应力（包括外加应力和残余应力）会在结构相变温度 Tₛ 以上诱导 BaFe₂As₂ 的向列相交叉，解释了先前观察到的 C₄ 对称性破缺实为应力所致的伪像，而非真正的电子向列性。结果表明，BaFe₂As₂ 中自发向列性仅在 Tₛ 以下开始，从而调和了以往输运与光谱测量之间的矛盾数据。

ABSTRACT

Raman scattering can detect spontaneous point-group symmetry breaking without resorting to single-domain samples. Here we use this technique to study $\mathrm{BaFe_2As_2}$, the parent compound of the "122" Fe-based superconductors. We show that an applied compression along the Fe-Fe direction, which is commonly used to produce untwinned orthorhombic samples, changes the structural phase transition at temperature $T_{\mathrm{s}}$ into a crossover that spans a considerable temperature range above $T_{\mathrm{s}}$. Even in crystals that are not subject to any applied force, a distribution of substantial residual stress remains, which may explain phenomena that are seemingly indicative of symmetry breaking above $T_{\mathrm{s}}$. Our results are consistent with an onset of spontaneous nematicity only below $T_{\mathrm{s}}$.

研究动机与目标

• 确定 BaFe₂As₂ 中的向列性是否在结构相变温度 Tₛ 以上开始，还是仅在 Tₛ 以下开始。
• 研究外加和残余单轴应力在拉曼光谱中模拟向列行为的作用。
• 澄清输运、热力学与光谱测量之间关于向列序起始点的矛盾。
• 评估 Tₛ 以上观察到的 C₄ 对称性破缺是否源于电子向列性，还是应力诱导的晶格畸变。
• 量化晶体生长和表面制备过程中残余应力对声子简并性的影响。

提出的方法

• 采用 (ac)-偏振几何方式对自由悬挂及单轴受压的 BaFe₂As₂ 单晶进行拉曼光谱测量。
• 通过贝氏铜（BeCu）薄片沿 Fe-Fe 方向施加约 5 MPa 的单轴压缩应力，以诱导孪晶消融。
• 比较受压与自由悬挂样品中 E_g 声子峰的位置与半高宽，以检测对称性破缺。
• 利用朗道理论拟合峰分裂与展宽的温度依赖性，假设 ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1。
• 绘制 E_g 峰宽的空间非均匀性分布，以识别存在残余应力的区域。
• 将自由悬挂样品中异常的峰展宽与受压样品中的应力诱导分裂进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaFe₂As₂ 中 Tₛ 以上观察到的 C₄ 对称性破缺是否源于电子向列性，还是应力诱导的晶格畸变？
• RQ2 外加单轴应力在多大程度上诱导了 Tₛ 以上晶格的正交畸变与声子分裂？
• RQ3 自由悬挂样品中 E_g 声子的异常展宽能否由残余应力解释？
• RQ4 名义上自由悬挂的 BaFe₂As₂ 晶体中残余应力的大小是多少，其对对称性检测有何影响？
• RQ5 BaFe₂As₂ 中向列性的起始点是否真正位于 Tₛ 以上，还是尽管存在实验信号，实际仅限于 Tₛ 以下？

主要发现

• 约 5 MPa 的外加单轴应力可在 Tₛ 以上诱导 BaFe₂As₂ 的向列相交叉，导致 E_g 声子峰出现可测量的分裂。
• 受压样品中峰分裂的温度依赖性符合朗道理论，ΔE ∝ (T − Tₛ)^−1，起始温度接近 157 K。
• 自由悬挂样品中 E_g 声子的异常展宽在定量上可由应力诱导分裂模型解释。
• 约 1–2 MPa 的残余应力（可能源于生长缺陷或表面处理）可解释名义上无应力样品中观察到的展宽。
• 在残余应力可忽略的区域，系统在 Tₛ 以上保持 C₄ 对称性，实验分辨范围内无偏差。
• 结果强烈支持真正的自发向列性在 BaFe₂As₂ 中仅在 Tₛ 以下开始，而非在 Tₛ 以上。