Charge dynamics of the Co-doped BaFe 2 As 2 investigated by optical spectroscopy

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1 Diss. ETH No Charge dynamics of the Co-doped BaFe 2 As 2 investigated by optical spectroscopy A dissertation submitted to the ETH ZURICH for the degree of DOCTOR OF SCIENCES presented by ADAM DUSZA Mag. University of Silesia at Katowice born on the 25 th of March 1984 citizen of Poland accepted on the recommendation of Prof. Dr. L. Degiorgi, examiner Prof. Dr. J. Mesot, co-examiner 2014

2 Abstract This work focuses on optical investigations of a new class of high temperature superconductors (HTSC), the so-called iron-pnictides. We present the charge dynamics in the novel Ba(Fe 1 x Co x ) 2 As 2 compounds, collected over a broad spectral range and as a function of temperature. First we report on the evolution of the optical response in twinned Ba(Fe 1 x Co x ) 2 As 2 specimens for different Co-doping (x = 0, 2.5, 4.5, 5.1, 6.1, 11 and 18%), thus spanning the whole phase diagram. We observe the opening of a pseudogap for x = 0 and 0.025, due to the spin density wave (SDW) phase transition and accompanied by a reshuffling of spectral weight from low to high frequencies. The superconducting state evolves for compounds with x 0.11, while for x = 0.18 the material stays metallic at all temperatures. Within the phenomenological Lorentz-Drude model, we described the effective metallic contribution to the optical conductivity with two Drude terms, which mimics the multi-band scenario. Through spectral weight arguments, we give furthermore clear evidence of moderate electronic correlations for 0 x 0.061, which cross over to a regime appropriate for weak interacting and finally nearly-free electron metals for x Moreover, we study the anisotropic in-plane optical conductivity of detwinned single crystals of Ba(Fe 1 x Co x ) 2 As 2 for x = 0, 2.5 and 4.5%, thus in the underdoped regime, across their structural (at T s ) and magnetic (at T N ) transitions. In order to observe the intrinsic anisotropy, expected within orthorhombic phase, the crystals were mechanically detwinned, since they naturally form twin domains below T s. For this purpose we developed a pressure device, which allows detwinning the crystals by applying uniaxial pressure. Our investigations reveal that for temperatures below T N, the topology of the

3 viii Abstract reconstructed Fermi surface, combined with the distinct behaviour of the scattering rates, determines the anisotropy of the low-frequency optical response. For the itinerant charge carriers, we are able to disentangle the evolution of the Drude weights and scattering rates and to observe their enhancement along the orthorhombic antiferromagnetic a-axis with respect to the ferromagnetic b-axis. For temperatures above T s, uniaxial stress induces a finite in-plane anisotropy, which results from a large nematic susceptibility. The anisotropy of the optical conductivity, leading to a significant dichroism, extends to high frequencies in the mid- and near-infrared regions. The temperature dependence of the dichroism at all dopings scales with the anisotropy ratio of dc conductivity, suggesting the electronic nature of the structural transition. Additionally, in order to clarify the subtle interplay of magnetism and Fermi surface topology, we compare our results with theoretical calculations obtained from density functional theory within the full-potential linear augmented plane-wave method. The calculations show a good agreement with optical in-plane anisotropy, giving evidence for the presence of the antiferromagnetic ordered stripes.

4 Riassunto In questa tesi sono state studiate le proprietá ottiche, al variare della temperatura e in un ampio intervallo di frequenze, di alcuni elementi della famiglia Ba(Fe 1 x Co x ) 2 As 2 appartenente a una nuova classe di superconduttori ad alta temperatura critica (HTSC), chiamati ferro-pnictidi. La transizione strutturale da una fase tetragonale a una fase ortorombica al di sotto della temperatura T s è accompagnata dalla formazione di dominii (twins) caratterizzati da un diverso orientamento relativo degli assi cristallografici. I dominii dei cristalli twinned possono essere allineati applicando pressione lungo una direzione preferenziale (cristalli detwinned). In primo luogo vengono descritte le proprietá ottiche di campioni twinned, con drogaggio x di cobalto compreso tra 0 e 18%. In accordo con il diagramma di fase, per x = 0 e si osserva l apertura di una pseudo-gap dovuta a una transizione di fase di tipo spin-density wave (SDW) che genera una ridistribuzione di peso spettrale dalle basse alle alte frequenze. I composti con drogaggio x pari a 0.051, e 0.11 diventano superconduttori al di sotto di una certa temperatura critica T c, funzione del drogaggio, mentre per x = 0.18 il sistema rimane metallico, non presentando alcuna transizione al variare della temperatura. L analisi della conducibilitá ottica mediante procedure di fit basate sul modello di Drude-Lorentz permette di descrivere il contributo metallico mediante due termini di Drude, adatto per sistemi multibanda come in questo caso. L analisi del peso spettrale mostra come all aumentare del drogaggio la correlazione elettronica sia via via piú debole fino ad arrivare a un regime in cui gli elettroni possono essere considerati quasi-liberi per x La seconda parte di questo lavoro di tesi è dedicata allo studio dell anisotropia ottica nel piano ab di cristalli singoli, detwinned, di Ba(Fe 1 x Co x ) 2 As 2 per x = 0, 2.5 e 4.5%, al

5 x Riassunto variare della temperatura al di sopra e al di sotto di T s e della temperatura di transizione magnetica di Neel (T N ). L allineamento dei dominii (detwinning) è stato ottenuto meccanicamente tramite un dispositivo che applica la pressione lungo la direzione di uno specifico asse cristallografico della fase ortorombica. I risultati sperimentali ottenuti mostrano un anisotropia ottica al di sotto di T N che, a basse frequenze, è dovuta alla differente topologia delle superfici di Fermi e al diverso scattering dei portatori di carica liberi. In particolare si osserva un aumento del peso spettrale e della costante di rilassamento dei portatori di carica liberi lungo l asse antifferomagnetico a rispetto all asse ferromagnetico b. Al di sopra di T s la pressione uniassiale produce un anisotropia nel piano ab derivante da una suscettivitá nematica non trascurabile. L anisotropia della conducibilitá ottica, che comporta un notevole dicroismo, si estende ad alte frequenze nella regione del medio e vicino infrarosso. Il dicroismo mostra una dipendenza dalla temperatura confrontabile con l anisotropia osservata dalle misure di resistivitá, che suggerisce come la transizione strutturale sia di natura elettronica. Il confronto con i calcoli teorici eseguiti con il metodo DFT (teoria del funzionale densitá con il metodo full-potential linear augmented planewave) mostra un buon accordo con i dati sperimentali ottenuti e permette di sottolineare la stretta relazione esistente tra magnetismo e topologia della superficie di Fermi.