[论文解读] On the origin of critical nematic fluctuations in pnictide superconductors

Shan Wu, Weilu Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2017

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究将金掺杂的Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$超导体中临界向列序 fluctuation 的起源归因于近简并的 $d_{xz}$ 和 $d_{yz}$ 轨道之间的电荷四极矩涨落。通过偏振分辨拉曼光谱，研究发现，在 $T_S$ 以上，$B_{2g}$ 通道的静态拉曼磁化率遵循居里-外斯定律，外斯温度 $T_\theta(x)$ 随掺杂浓度降低，直至在量子临界点 $x_c = 0.031$ 处归零，此时超导转变温度为 $T_c = 2.5$ K，表明向列量子临界性与非传统超导性之间存在直接关联。

ABSTRACT

We employ polarization-resolved Raman spectroscopy to study critical nematic fluctuations in Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)$_2$As$_2$ superconductors above and across well separated tetragonal to orthorhombic phase transition at temperature $T_S(x)$ and the Néel transition at $T_N(x)$. The static Raman susceptibility in $XY$ symmetry channel increases upon cooling from room temperature following the Curie-Weiss law, with Weiss temperature $T_θ(x)$ several tens of degrees lower than $T_S(x)$. Data reveals a hidden nematic quantum critical point at $x_{c} = 0.031$ when the system becomes superconducting, indicating a direct connection between quantum critical nematic fluctuations and unconventional superconductivity. We attribute the origin of the nematicity to charge quadrupole fluctuations due to electron transfer between the nearly degenerate $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals.

研究动机与目标

• 确定铁基超导体中临界向列涨落的微观起源，特别是结构相变与磁性相变分离的体系。
• 通过研究 Au 掺杂 Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$（其中 $T_S$ 与 $T_N$ 明显分离），分离电荷涨落与自旋涨落在向列性中的贡献。
• 确定向列涨落是否源于轨道/电荷自由度或磁相互作用。
• 探究向列量子临界性与非传统超导性出现之间的关联。

提出的方法

• 采用偏振分辨拉曼光谱测量了 $XY$ 对称性通道中 $B_{2g}$ 四极矩通道的动力学拉曼响应。
• 从动力学响应中提取静态拉曼磁化率 $\chi''_{B_{2g}}(0,T,x)$，以探测向列涨落。
• 将居里-外斯定律应用于高温磁化率，以提取外斯温度 $T_\theta(x)$。
• 分析了相图中 $T_S(x)$、$T_N(x)$、$T_\theta(x)$ 以及电荷四极矩 $Q(x)$ 的掺杂依赖演化行为。
• 通过拟合得到的居里常数估算电荷四极矩 $Q(x)$，并将其与 $d_{xz}$ 与 $d_{yz}$ 轨道之间的电子转移关联起来。
• 通过 $T_N$ 以下磁化率的抑制来追踪磁序参数，并将其与 $Q(x)$ 的掺杂依赖性进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁基超导体中临界向列涨落的微观起源是什么——是电荷四极矩涨落还是磁性涨落？
• RQ2 在 Au 掺杂 Ba(Fe$_{1-x}$Au$_x$)As$_2$ 中，向列涨落如何在结构相变 ($T_S$) 和磁性相变 ($T_N$) 温度附近演化？
• RQ3 在 $x_c = 0.031$ 处的向列量子临界点是否与超导的出现相吻合？这对配对机制意味着什么？
• RQ4 电荷四极矩 $Q(x)$ 与磁序参数 $M(x)$ 如何随掺杂浓度演化？它们相反的掺杂依赖性意味着什么？
• RQ5 为何静态拉曼磁化率在 $T_S$ 处趋于饱和，仅在低于 $T_N$ 时才急剧下降？

主要发现

• 在 $T_S$ 以上，$B_{2g}$ 通道的静态拉曼磁化率遵循居里-外斯定律，外斯温度 $T_\theta(x)$ 随金掺杂浓度降低，于 $x_c = 0.031$ 处归零。
• 磁化率在低于 $T_S$ 时停止增加，表明向列涨落并非由磁序驱动，而是由轨道/电荷涨落引起。
• 通过居里常数估算的电荷四极矩 $Q(x)$ 随金掺杂浓度单调增加，而磁序参数 $M(x)$ 则减小。
• 在 $T_N$ 以下磁化率的抑制与自旋密度波（SDW）能隙的形成相关，证实磁序会抑制向列涨落。
• 在 $x_c = 0.031$ 处的量子临界点位于超导穹顶内部，且 $T_c = 2.5$ K，表明向列量子临界性与非传统超导性之间存在直接关联。
• 数据支持一种机制：向列性源于近简并的 $d_{xz}$ 与 $d_{yz}$ 轨道之间电子转移，从而产生电荷四极矩 $Q(x)$。