[论文解读] Optical evidence of broken C$_4$ symmetry across optimal doping in BaFe$_{2}$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

Eric Thewalt, James P. Hinton+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究利用1.5 eV光调制反射率检测到BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂中线性双折射的急剧 onset，为超导穹顶范围内自发C₄旋转对称性破缺提供了光学证据，该现象延伸至结构/磁性转变温度Tₛ(x)以上。结果表明存在一条持续进入过掺杂区的独立nematic相变线T_nem(x)，暗示存在真正的nematic量子临界点，而非由应变引起。

ABSTRACT

The isovalently doped high-$T_{ ext{c}}$ superconductor BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$ is characterized by a rich temperature-doping phase diagram, which includes structural, antiferromagnetic, and superconducting phase transitions. In this work, we use photomodulated reflectance at 1.5 eV to detect the onset of linear birefringence in the normal state, and by inference, the breaking of four-fold rotational (C$_4$) symmetry. We find that C$_4$ breaking takes place in the normal state over a range of $x$ that spans the optimal P concentration, unlike the line of orthorhombic-tetragonal and magnetic phase transitions, which terminates at, or just below, the optimal value of $x$.

研究动机与目标

• 在超导穹顶范围内，识别BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂正常态中C₄对称性破缺的 onset。
• 区分观测到的光学各向异性是源于自发nematic序还是由晶格不均匀性和激光加热引起的应变诱导双折射。
• 解决扭矩磁测量（T_nem(x)延伸至过掺杂区）与结构/磁性转变（T_s(x)在最佳掺杂附近终止）之间的明显矛盾。
• 确定C₄破缺是否在单一临界温度发生，或通过具有幂律行为的连续响应发生。
• 通过光学响应研究nematic序与超导序参量之间的耦合。

提出的方法

• 采用1.5 eV泵浦脉冲与时间延迟探测的光调制反射率（PMR）光谱，测量ΔR(t)，重点关注零时延下ΔR的振幅。
• 测量温度与偏振依赖的反射率变化，以检测线性双折射，这是C₄对称性破缺的特征。
• 使用高分辨率视频的空间分辨成像，将光束位置与ΔR振幅及符号相关联，识别不均匀性。
• 分析两种正交偏振态下ΔR的温度依赖性，以推断双折射的起源，假设nematic序Ω与超导序Ψ存在耦合。
• 应用模型ΔR ∝ (∂r_d/∂Ω)[αβΦ(T) + α_Ψβ_ΨΨ(T)] 描述偏振依赖的响应，其中Φ(T)代表nematic序，Ψ(T)代表超导序参量。
• 将光学结果与电阻率及磁化率数据对比，构建全面的T-x相图，将T_nem(x)与T_s(x)区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 C₄旋转对称性破缺是否在结构/磁性转变温度T_s(x)以上发生，表明存在真正的nematic相变？
• RQ2 观测到的双折射是否源于自发nematic序，还是由晶格不均匀性与激光加热引起的应变效应？
• RQ3 光学双折射的 onset 如何与超导穹顶及nematic量子临界点相关联？
• RQ4 双折射的温度依赖性是连续的（幂律）还是突然的，表明是否存在真正的相变？
• RQ5 能否从偏振依赖的光学响应中推断nematic与超导序参量之间的耦合？

主要发现

• 在高于T_s(x)的温度下观测到光学双折射的急剧 onset，表明在超导穹顶范围内沿T_nem(x)线存在自发C₄对称性破缺。
• 双折射的 onset 是急剧的，与幂律响应不一致，表明存在真正的连续相变，而非应变诱导效应。
• ΔR的振幅与符号依赖于样品位置，表明存在空间不均匀性，但两种正常态与超导态下的偏振依赖性保持成比例。
• 观测到的双折射与nematic序Ω和超导序参量Ψ之间存在耦合一致，当Ω与Ψ耦合时，两种偏振态下ΔR均成比例。
• 相图显示T_nem(x)与T_s(x)明显分离，后者在最佳掺杂附近终止，解决了与扭矩磁测量数据的明显矛盾。
• 结果支持将T_s(x)重新解释为时间反演对称性破缺转变，晶格通过自旋-晶格耦合放大了预先存在的C₄破缺。