Ultrafast optical spectroscopy of iron-based superconductors

Abstract

This work is focused on the investigation of excited states dynamics of iron-based superconductors: FeSe0.8Te0.2 (type-11) and Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 (type-122). We studied fluence-dependent non-equilibrium dynamics of thin superconducting films, unveiling transient response signal attributed to electron-electron, electron-phonon, and phonon-phonon interactions. The Two-Temperature Model (TTM) allowed us to quantify the constants of these processes, revealing a fluence-independent electron-phonon coupling constant for FeSe0.8Te0.2, in contrast to a fluence-dependent increase in Ba(Fe0.92Co0.08)2As2, suggesting light-induced stress as a potential underlying mechanism. Our findings indicate that the films undergo up to 1.3 GPa of light-induced stress within the surface layers of the thin films. During the initial 500 fs post-photoexcitation, stress is caused predominantly by the electron subsystem. Additionally, we observed coherent acoustic phonon generation and decay, determining the sound velocities for both materials. During the work we developed a femtosecond time-resolved pump-probe setup to study light-induced dynamics of iron-based superconductors. The system's automation was achieved through originally developed software, enabling autonomous data collection across various fluences and temperatures below 300 K. We employed a sophisticated analytical approach, combining the Two-Temperature Model (TTM) with a Runge-Kutta numerical solution and a grid search algorithm, to interpret the experimental data.

Este trabajo se centra en la investigación de la dinámica de estados excitados de superconductores a base de hierro: FeSe0.8Te0.2 (tipo-11) y Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 (tipo122). Estudiamos la dinámica no equilibrada dependiente de la fluencia de películas superconductoras delgadas, revelando una señal de respuesta transitoria atribuida a interacciones electrón-electrón, electrón-fonón y fonón-fonón. El Modelo de Dos Temperaturas (TTM, por sus siglas en inglés) nos permitió cuantificar las constantes de estos procesos, revelando una constante de acoplamiento electrón-fonón independiente de la fluencia para FeSe0.8Te0.2, en contraste con un aumento dependiente de la fluencia en Ba(Fe0.92Co0.08)2As2, sugiriendo el estrés inducido por luz como un mecanismo subyacente potencial. Nuestros hallazgos indican que las películas soportan hasta 1.3 GPa de estrés inducido por luz dentro de las capas superficiales de las películas delgadas. Durante los primeros 500 fs después del fotoexcitación, el estrés es causado predominantemente por el subsistema electrónico. Además, observamos la generación y descomposición de fonones acústicos coherentes, determinando las velocidades del sonido para ambos materiales. Durante el trabajo, desarrollamos un sistema de bombeo-sondeo resuelto en el tiempo de femtosegundos para estudiar la dinámica inducida por luz de superconductores a base de hierro. La automatización del sistema se logró a través de un software originalmente desarrollado, permitiendo la recolección autónoma de datos a través de diversas fluencias y temperaturas por debajo de 300 K. Empleamos un enfoque analítico sofisticado, combinando el Modelo de Dos Temperaturas (TTM) con una solución numérica de Runge-Kutta y un algoritmo de búsqueda en malla, para interpretar los datos experimentales.