[論文レビュー] Antiferromagnetic spin excitations in single crystals of nonsuperconducting Li1-xFeAs

M Wang, XC Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2011

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ひとこと要約

本研究では、非超伝導性 Li1-xFeAs 単結晶におけるスピン励起を非弾性中性子散乱を用いて調査し、低エネルギー域で Q=(1,0) に反強磁性スピン励起が観測され、ゾーン境界付近では Q'=(±0.5,±0.5) にシフトすることが明らかになった。フェルミ面のネストが弱いにもかかわらず、強いスピン揺らぎが低エネルギー物理を支配しており、鉄ヒ素化物における磁気励起を理解するには、電子の拡散性と電子相関効果の両方が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

We use neutron scattering to determine spin excitations in single crystals of nonsuperconducting Li1-xFeAs throughout the Brillouin zone. Although angle resolved photoemission experiments and local density approximation calculations suggest poor Fermi surface nesting conditions for antiferromagnetic(AF) order, spin excitations in Li1-xFeAs occur at the AF wave vectors Q = (1, 0) at low energies, but move to wave vectors Q = (\pm 0.5, \pm0.5) near the zone boundary with a total magnetic bandwidth comparable to that of BaFe2As2. These results reveal that AF spin excitations still dominate the low-energy physics of these materials and suggest both itinerancy and strong electron-electron correlations are essential to understand the measured magnetic excitations.

研究の動機と目的

• 静的反強磁性秩序を示さない非超伝導性 Li1-xFeAs 単結晶におけるスピン励起の性質を特定すること。
• フェルミ面ネストが予想されない状況においても、反強磁性スピン揺らぎが持続するかを調査し、バンド構造計算からの従来の予想に挑戦すること。
• 鉄系超伝導体における磁気励起スペクトルを形作る電子相関効果と拡散的磁性の役割を評価すること。
• Li1-xFeAs の磁気励起スペクトルを他の鉄pnict化物と比較し、単純なヘイゼンベルグモデルで記述可能かどうかを検討すること。

提案手法

• Li0.94FeAs (x=0.06±0.01) の単結晶を用い、全ブリユアンゾーンにわたるスピン励起をマッピングするために非弾性中性子散乱を実施した。
• エネルギーおよび運動量依存のスピン励起スペクトルを測定し、分散モードおよびエネルギー増加に伴う波数ベクトルの変化を同定した。
• 全帯域幅にわたる動的スピン感受率 χ''(ω) の虚部を統合し、スピン揺らぎモーメント ⟨m²⟩ を抽出した。
• 最近接相互作用 (J1a, J1b)、次近接相互作用 (J2)、リング交換相互作用 (J3) を含むスピン波ハミルトニアンを用いて分散をモデル化した。
• モデル計算におけるスピン波の幅の拡散を説明するため、体系的な減衰項 Γ=0.15E を導入した。
• 実験的定エネルギー断層画像および分散関係を理論モデルと比較し、交換結合定数の制約を付け、J1b の符号を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LDA 計算で予測されるフェルミ面ネストが弱いにもかかわらず、Li1-xFeAs においても反強磁性スピン励起が持続するか？
• RQ2 エネルギーが増加するに従い、スピン励起の波数ベクトルはどのように変化するのか？ これにより、基礎的な磁気相互作用の性質が何を示唆するか？
• RQ3 Q'=(±0.5,±0.5) 付近に観測された高エネルギー域のスピン励起は、標準的な交換結合定数を有する最小限のヘイゼンベルグモデルで説明可能か？
• RQ4 静的長距離秩序が存在しない状況において、電子相関効果と拡散的磁性が強いスピン揺らぎを維持する上で果たす役割は何か？
• RQ5 特に結晶学的異なる方向における分散の異方性を再現するには、どのような交換結合定数パラメータが必要か？

主な発見

• Li0.94FeAs におけるスピン励起は、80 meV までのエネルギーで Q=(1,0) に集中しており、動的反強磁性揺らぎの存在を示している。
• 130 meV 以上のエネルギー領域では、スピン励起が分裂し、Q'=(±0.5,±0.5) に分散するようになる。これは強い磁気的異方性と競合する交換相互作用を示唆している。
• 全磁気的バンド幅は BaFe2As2 と同等であり、静的秩序が存在しないにもかかわらず強い磁気相関が存在することを示している。
• スピン揺らぎモーメント ⟨m²⟩=2.1±0.6 μB² は他の鉄pnict化物と同等であり、強い局所的スピンモーメントの存在を確認している。
• 最近接および次近接相互作用を含む単純なヘイゼンベルグモデルでは、高エネルギー分散を再現できない。リング交換 (J3) 項や異方性項の追加が必要である。
• 理論的解析により、[1,K] 方向における観測された分散最大値を再現するには、J1b が負である必要があり、十分であることが証明された。これは、強磁性的および反強磁性的相互作用の競合を示している。