[論文レビュー] Coexistence of ferromagnetism and superconductivity in CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$

Jooseop Lee, Satoshi Demura+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

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ひとこと要約

本研究では、CeO₀.₃F₀.₇BiS₂において、強磁性（T_FM = 6.54 K）と超伝導性（T_SC ≈ 4.5 K）の共存を特定した。T_FM未満では、1.8 meVのイジング型スピン波モードが出現する。非弾性中性子散乱により、横方向スピン秩序および異方性交換による磁場誘発モード分裂が観測され、弱い層間結合が、通常は互いに排他的とされるこれらの秩序の希少な共存を可能にしていることが示された。

ABSTRACT

Bulk magnetization, transport and neutron scattering measurements were performed to investigate the electronic and magnetic properties of a polycrystalline sample of the newly discovered ferromagnetic superconductor, CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$. Ferromagnetism develops below T$_{FM}$ = 6.54(8) K and superconductivity is found to coexist with the ferromagnetic state below T$_{SC}$ ~ 4.5 K. Inelastic neutron scattering measurements reveal a very weakly dispersive magnetic excitation at 1.8 meV that can be explained by an Ising-like spin Hamiltonian. Under application of an external magnetic field, the direction of the magnetic moment changes from the c-axis to the ab-plane and the 1.8 meV excitation splits into two modes. A possible mechanism for the unusual magnetism and its relation to superconductivity is discussed.

研究の動機と目的

• 多結晶CeO₀.₃F₀.₇BiS₂の磁気的および超伝導的性質を調査すること。
• 超伝導性の存在下での磁気秩序およびスピン励起の性質を特定すること。
• 通常は互いに排他的とされる強磁性と超伝導性の共存を可能にするメカニズムを理解すること。
• 結晶性の欠損および局所的磁気異方性が、外部磁場下での磁気応答をどのように変化させるかを検討すること。

提案手法

• 多結晶CeO₀.₃F₀.₇BiS₂試料に対して、バルク磁化率、電気的輸送、および中性子散乱測定を実施した。
• 中性子粉末回折を用いて結晶構造および磁気構造を分析し、広がったブラッグピークが観測され、結晶性の低さが示された。
• 非弾性中性子散乱を用いて磁気励起スペクトルを調査し、スピン波モードを同定した。
• 外部磁場を印加して、磁場依存のスピンダイナミクスを研究し、モード分裂を検出した。
• スピン励起を、最近接および準近接近接相互作用を含む3次元イジングスピンハミルトニアンでモデル化した。
• 結晶異方性、CEF効果、および不純物磁性の観点から、磁場誘発分裂の起源を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、通常は相互に排他的とされるにもかかわらず、CeO₀.₃F₀.₇BiS₂において強磁性と超伝導性が共存できるのか？
• RQ2 1.8 meVで観測された磁気励起の性質は何か？外部磁場に対してどのように応答するか？
• RQ3 結晶性の欠損は、この系の磁気異方性およびスピンダイナミクスにどのような役割を果たすか？
• RQ4 Ceを含む強磁性層とBiS₂超伝導層との間の層間結合は、対形成や磁気秩序の抑制を媒介するほど十分に強いのか？
• RQ5 観測された磁場誘発モード分裂は、異方性交換または局所的磁気不純度によって説明可能か？

主な発見

• CeO₀.₃F₀.₇BiS₂における強磁性は、T_FM = 6.54(8) K未満で発現し、磁気モーメントはc軸に整列している。
• 超伝導性はT_SC ≈ 4.5 K未満で発現し、強磁性状態と同時に存在しており、磁気秩序を破壊しないまま共存している。
• 1.8 meVの弱い分散性を示す磁気励起が観測され、最近接および準近接近接相互作用を含む3次元イジングスピンハミルトニアンで良好に記述できる。
• 外部磁場の印加によりスピンフロップ転移が発生し、磁気モーメントがc軸からab面に再整列する。
• 1.8 meVモードは磁場下で二つの異なる励起モードに分裂し、一方のモードはエネルギーが上昇し、他方はほぼ変化しない。
• 異常な磁場応答は、局所的原子歪みおよび強いランダム異方性に起因する不純物磁性に起因するとされ、核ブラッグピークの広がりと整合的であり、格子の不規則性を示唆している。