A study of lattice dynamics in iron-based superconductors by inelastic light scattering

Abstract

After the discovery of high temperature (high Tc) superconductivity in copper oxide-based materials (cuprates) in 1986, this phenomenon was a unique property of the cuprates for more than 20 years. The origin of high Tc superconductivity is still under debate. In 2008, high Tc superconductivity was discovered in iron-based compounds. This discovery presents new opportunities for the development of a fundamental understanding of high Tc superconductivity. Density functional calculations indicate a weak electron-phonon coupling strength in iron-based superconductors and these suggest that superconductivity is not mediated by phonons. However, experimental report of a large isotope effect of the iron atoms on the superconductivity Tc suggests that phonons play an important role in iron-based superconductors.

Motivated by these findings, this thesis presents a Raman scattering study of the lattice dynamics of the iron-based superconductors Fe1+yTe1-xSex, LiFeAs and NaFe1-xCoxAs as a function of chemical composition and temperature. In Fe1+yTe1-xSex, an unconventional linewidth broadening of the c-axis polarized Fe phonon of B1g symmetry is found with decreasing temperature, which indicates an unusual coupling between the phonon and iron excessinduced magnetic fluctuations in this compound. In LiFeAs, the Raman scattering data provide evidence for a weak electron-phonon coupling, which is consistent with non-phonon mediated Cooper pairing in this compound. In NaFe1-xCoxAs, upon cooling two features are observed: (i) an unconventional linewidth broadening of several phonons, which is indicative of spin fluctuation-phonon coupling, and (ii) a superconductivity-induced phonon lineshape renormalization, which can not be explained by standard model calculations.

Nach der Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in Kupferoxidbasierten Materialien (Kuprate) im Jahr 1986, war dieses Phänomen für mehr als 20 Jahre eine einzigartige Eigenschaft der Kuprate. Der Ursprung der Hochtemperatursupraleitung ist noch immer umstritten. Im Jahr 2008 wurde Hochtemperatursupraleitung in eisenbasierten Verbindungen entdeckt. Diese Entdeckung stellt neue Möglichkeiten für die Entwicklung eines fundamentalen Verst¨andnisses der Hochtemperatursupraleitung bereit. Dichtefunktionalrechnungen ergeben eine schwache Elektron-Phonon Kopplungsstärke in eisenbasierten Supraleitern, was nahe legt, dass die Supraleitung nicht durch Phononen vermittelt wird. Jedoch zeigen Experimente einen starken Isotopen-Effekt der Eisen-Atome auf die supraleitende Sprungtemperatur Tc, was andeutet, dass Phononen doch eine wichtige Rolle in eisenbasierten Supraleitern spielen.

Motiviert von diesen Erkenntnissen, wird in der vorliegenden Doktorarbeit eine Untersuchung der Gitterdynamik der eisenbasierten Supraleiter Fe1+yTe1-xSex, LiFeAs und NaFe1-xCoxAs als Funktion der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur vorgestellt. In Fe1+yTe1-xSex, wurde eine unkonventionelle Vergrößerung der Linienbreite des c-Achsen polarisierten Fe Phonons mit B1g Symmetrie bei abnehmender Temperatur entdeckt, was eine außergewöhnliche Kopplung zwischen dem Phonon und den durch Eisenexzess induzierten magnetischen Fluktuationen in der Verbindung anzeigt. In LiFeAs erbringen Raman-Streudaten den Nachweis für eine schwache Elektron-Phonon Kopplung, was mit der nicht-Phonon-vermittelten Cooper- Paarung in dieser Verbindung konsistent ist. In NaFe1-xCoxAs werden beim Abkühlen zwei Besonderheiten beobachtet: (i) Eine unkonventionelle Vergrößerung der Linienbreite mehrerer Phononen, was eine Spinfluktuations-Phononkopplung anzeigt und (ii) eine supraleitungsinduzierte Renormierung der Phonon-Linienform, die nicht durch Standardmodellrechnungen erklärt werden kann.