[论文解读] Quasiparticle mass enhancement close to the quantum critical point in BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$

P. Walmsley, C. Putzke+12 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Mar 14, 2013

Iron-based superconductors research被引用 11

一句话总结

本研究通过结合比热、德哈斯-范阿尔芬（dHvA）效应和磁穿透深度测量，为在 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 中 x ≈ 0.30 处存在量子临界点（QCP）提供了有力证据。结果表明，接近 QCP 时准粒子质量增强均匀作用于大部分费米面，直接将反超导密度的尖锐峰值与强质量重正化联系起来，尽管费米能级降低，但该效应仍增强了超导性。

ABSTRACT

We report a combined study of the specific heat and de Haas-van Alphen effect in the iron-pnictide superconductor BaFe$_2$(As$_{1-x}$P$_x$)$_2$. Our data when combined with results for the magnetic penetration depth give compelling evidence for the existence of a quantum critical point (QCP) close to $x=0.30$ which affects the majority of the Fermi surface by enhancing the quasiparticle mass. The results show that the sharp peak in the inverse superfluid density seen in this system results from a strong increase in the quasiparticle mass at the QCP.

研究动机与目标

• 通过热力学和量子振荡测量，确立 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 在 x ≈ 0.30 附近存在量子临界点（QCP）的证据。
• 确定 QCP 处的准粒子质量增强是否在整个费米面上均匀分布，影响所有能带。
• 阐明在 x ≈ 0.30 处反超导密度的尖锐峰值的起源，区分质量重正化、费米面收缩或非均匀性的影响。
• 检验假设：量子临界涨落通过质量增强增加配对相互作用，从而增强超导性。

提出的方法

• 采用定制微热量计对超小单晶（4–70 μg）进行比热测量，以提取比热跃迁 ΔC 和转变温度 Tc。
• 通过微压阻式悬臂梁测量德哈斯-范阿尔芬（dHvA）效应，以确定电子费米面片的有效质量 m*，特别是 β 轨道。
• 利用微波谐振腔测量分析磁穿透深度 λ，以提取 λ₀ 并推断超导密度，其中重正化因子基于密度泛函理论（DFT）和实验测得的费米面收缩得出。
• 比较不同 x 值下的热力学质量（γ = ΔC/Tc）和动力学质量（λ⁻² ∝ m*²），评估质量增强的一致性。
• 利用维加德定律和 dHvA 数据量化费米面体积收缩，其中测得的费米面体积与 DFT 值之比为 A = 0.358 + 0.44x。
• 通过比较相图中 dHvA 的 m*/m_b、λ⁻² 重正化和 ΔC/Tc 趋势，检验理论一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 x ≈ 0.30 处反超导密度的尖锐峰值是否源于准粒子质量增强，还是其他效应（如费米面收缩或非均匀性）？
• RQ2 QCP 处的准粒子质量增强是否在整个费米面片上均匀分布，还是局限于特定区域？
• RQ3 在 QCP 附近，热力学（ΔC/Tc）、量子振荡（dHvA）和动力学（λ⁻²）测量的等效质量 m* 在多大程度上一致？
• RQ4 为何最高 Tc 恰好出现在 QCP 处，尽管质量增强导致费米能级降低？
• RQ5 多带铁砷化物中伽利略不变性破缺是否可解释 λ⁻² 与 m* 重正化之间观察到的一致性？

主要发现

• 比热跃迁 ΔC/Tc 在 x ≈ 0.30 附近表现出对数发散，与量子临界行为一致，为 QCP 提供热力学证据。
• 德哈斯-范阿尔芬测量显示，随着 x 接近 0.30，β 电子费米面轨道的有效质量 m* 显著且连续增加，表明存在准粒子质量增强。
• 反超导密度（λ⁻²）在 x ≈ 0.30 处表现出尖锐峰值，其定量可由比热和 dHvA 中观察到的相同准粒子质量增强解释。
• 有效质量增强被发现在整个费米面上均匀分布，表现为所有 x 值下 ΔC/Tc、λ⁻² 和 dHvA m* 的一致标度。
• 热力学、动力学和量子振荡测量对 m* 的一致结果表明，尽管在 Tc 以上呈现非费米液体 T 线性电阻率，系统在 Tc 附近仍保持强增强的费米液体态。
• 结果支持量子临界涨落（通过自旋涨落介导）通过增强 QCP 处的配对相互作用强度，从而增强 BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂ 超导性的观点。