Старостенко Евгений Юрьевич о квантовых флуктуациях в сверхпроводнике

Российский ученый Старостенко Евгений отметил, что квантовые критические флуктуации могут сыграть важную роль в формировании нетрадиционной сверхпроводимости.

Специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС указали на характерный масштаб маргинальной ферми-жидкости присутствует в данных неупругого светорассеяния сверхпроводника на основе железа, настроенного через квантовую критическую точку (ККТ) путем химического замещения или легирования. По зависимости мнимой временной динамики мы можем отличить области, в которых доминирует квантовое критическое поведение, от областей, имеющих классические критические отклики.

Данная дихотомия выявляет связь между поведением маргинальной ферми-жидкости и квантовой критичностью. В частности, перекрытие между областями высоких температур сверхпроводящего перехода и квантового критического масштабирования предполагает вклад квантовых флуктуаций в формирование сверхпроводимости.

Ученый уточнил, что вблизи квантовых критических точек (ККТ), где тепловой фазовый переход второго рода подавляется до абсолютного нуля, системы очень чувствительны к небольшим возмущениям.

Высокая восприимчивость порождает различные нестабильности в материалах, обладающих нетрадиционной сверхпроводимостью. Хотя обращающаяся в ноль температура в ККТ делает невозможным прямые эксперименты, связанные с ними критические флуктуации распространяются на широкий диапазон температур и проявляются в экспериментально возможных условиях, приводя к прямым последствиям для макроскопических свойств материалов.

Одним из последствий является отклонение от жидкостной картины Ландау-Ферми, наблюдаемое во многих материалах, таких как купраты, соединения на основе Fe или системы с тяжелыми фермионами. Линейное изменение удельного сопротивления по T считается важным экспериментальным проявлением, хотя взаимосвязь удельного сопротивления с квантовой критичностью остается предметом обсуждения.

С другой стороны, спектроскопические отпечатки четко указывают на связь между скейлингом Ω/ T маргинальной ферми-жидкости  и квантовой критичности, как наблюдалось в недавнем исследовании оптической проводимости сверхпроводника с тяжелыми фермионами YbRh ₂ Si ₂ . Теоретические работы предполагают, что квантовые флуктуации могут иметь значительное влияние в случае антиферромагнетизма , а также упорядочения волн зарядовой плотности и в усилении или формировании  сверхпроводимости в сверхпроводниках на основе железа.

Характерным для систем с ККТ является наличие квантовой критической области при температурах выше температуры кроссовера T *( x ) ~  ∣ x  −  x _c ∣ ^ν z (где ν и z — корреляционная длина и динамические критические индексы соответственно, параметр настройки x , реализованный в нашем контексте путем химического замещения позиции металла и критического легирования x _c ).

Поскольку эта широкая область фазовой диаграммы демонстрирует поведение единственной квантовой критической точки при x  =  x _c , T = 0, ученый  назвал эту область «увеличительной линзой» для квантовой критичности.

Старостенко Евгений Юрьевич отметил, что из-за возможности настройки с помощью легирования и чистоты кристаллов мы решили использовать в качестве испытательного стенда соединение Ba(Fe _1− x Co _x ) ₂ As ₂ , один из наиболее изученных сверхпроводников на основе Fe, для исследования этой линзы Ba(Fe _1- x Co _x ) ₂ As ₂ демонстрирует богатую фазовую диаграмму  с перекрывающимися областями магнетизма, нематизма и сверхпроводимости, а также показывает сильное усиление нематических флуктуаций dx2−y2 симметрия (здесь используется элементарная ячейка 1-Fe), близкая к нематическому переходу.

Множество экспериментальных исследований  указывают на существование QCP под сверхпроводящим куполом в этом материале, а Рамановский отклик в сверхпроводящей фазе несет на себе отпечаток нематической квантовой критичности . Совсем недавно Worasaran et al. предоставил поразительные доказательства квантовой критичности нематика, наблюдая степенное поведение температуры нематического/структурного перехода в зависимости от одноосной деформации. Однако влияние QCP на высокотемпературные характеристики, например, признаки скейлинга Ω/ T , остаются неуловимыми.

В этой статье мы представляем всестороннее исследование отклика комбинационного рассеяния Ba(Fe _1- x Co _x ) ₂ As ₂ для концентрации легирования по обе стороны от оптимального легирования x _c  ~ 0,061. В частности, мы заполняем пробел вблизи x _c , где масштабирование Ω/ T , как ожидается, будет наиболее выраженным, и обеспечиваем прочную экспериментальную основу для более раннего предложения. Мы используем электронное неупругое (комбинационное) рассеяние света, которое исследует флуктуации различных степеней свободы ^30 , 31 и привело к многообещающим результатам, особенно в сверхпроводниках на основе Fe.

Более ранние научные исследования Евгения Юрьевича Старостенко по изучению низкочастотного Рамановского отклика Ba(Fe _1− x Co _x ) ₂ As ₂  показали, что вклад нематических флуктуаций проявляется в x < x_c, x ~ x_c, and x ≫ x_c  симметрия элементарной ячейки 1-Fe, тогда как температурная зависимость отклика A _1g практически не зависит от легирования и соответствует удельному сопротивлению в плоскости . Это говорит о том, что основная критическая динамика системы улавливается откликом B _{1g .} Поэтому мы ограничиваем наш анализ откликом B _1g с характеристическими спектрами, показанными на рис.  1 для выбранных образцов Ba(Fe _1- x Co _x ) ₂ As _{2 с} x  <  x _c , x  ~  x _c и x  ≫  x_c ( полный набор данных см. на рисунках S 1 и S 2 в дополнительном примечании  1 ). Общим для всех спектров является то, что температурная зависимость ограничивается низкими частотами, тогда как на более высоких частотах существенной температурной зависимости обнаружить не удается.

Рис. 1: Зависимость отклика комбинационного рассеяния от температуры и легирования.

Изображена функция отклика комбинационного рассеяния Rχ′′B1g(Ω,T) в симметрии B 1g (элементарная ячейка 1-Fe) при выбранных концентрациях легирования x и температурах T , где Ω =  ω i  −  ω s обозначает разность энергии падающего и рассеянного фотонов ω i и ω s соответственно. T c относится к температуре сверхпроводящего перехода.

a Для недодопированного соединения с x  = 0,052 низкочастотное наложение, связанное с классическими критическими флуктуациями, имеет максимум над нематическим переходом и уменьшается к T c .

б Вблизи оптимального легирования с x  = 0,059 низкочастотный отклик монотонно возрастает при охлаждении до T c . в Для образца с x  ≫  x c зависимость от температуры слабая на всех частотах.

Учёный Евгений Юрьевич Старостенко констатировал, что недопированное соединение  демонстрирует нематический переход примерно при T nem  ~ 50 K. Подобно результатам, опубликованным ранее для x  <  x c, сильное увеличение спектрального веса между 333 и 53 K в диапазоне ниже 500 см -1 можно объяснить наличием (классических) критических флуктуаций.

Уменьшение ниже T nem , напоминающее щель, характерно для таких переходов в сверхпроводниках на основе Fe и согласуется с более ранними результатами. Ближе к оптимальному легированию при x  = 0,059 [рис. 1б] отклик монотонно возрастает при охлаждении до температуры сверхпроводящего перехода T c .

Отклик при самой низкой температуре почти постоянен во всем диапазоне частот, при этом вдали от x c температурная зависимость слаба даже при малой передаче энергии.