[論文レビュー] Evidence of spin density wave in LaFeAsO, the parent material of the new Fe-based oxypnictide superconductors

M. Ishikado, Ryoichi Kajimoto+12 more|ArXiv.org|Sep 30, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非公式な酸化鉛系超伝導体の母体化合物であるLaFeAsOにおけるスピン密度波（SDW）の直接実験的証明を、非弾性中性子散乱を用いて初めて得た。SDWは、波数ベクトル(π, π, 0)を有する二次元的フェルミ面ネストに起因し、その存在はドーピングなし状態における超伝導の抑制を説明する。電子ドーピングによりSDW秩序が抑制され、超伝導相が安定化する。

ABSTRACT

The Fe-based Oxypnicide superconductors have generated a huge amount of interest; they are a high temperature superconductor, with a Tc of 55K, but do not have the two dimensional copper oxygen layer that was thought essential for superconductivity at these high temperatures. Initial studies have hinted towards the possibility of a spin density wave (SDW) in these compounds and how they could play an important role in the superconductivity. SDW's occur at low temperatures in low-dimensional materials with strong electron correlations or in metals with a high density of states at the Fermi surface. A transition to the SDW state has many similarities to the superconducting transition, driven by the condensation energy with an energy gap opening, and in many materials the SDW state occurs adjacent in the phase diagram to the superconducting state. In these materials it is believed that electron doping suppresses the SDW instability allowing superconductivity to emerge. In this paper we report on the first direct experimental evidence of a SDW in the LaFeAsO parent compound as observed with inelastic neutron scattering. We show that these excitation derive from a two-dimensional Fermi surface nesting with a nesting vector of (π,π,0).

研究の動機と目的

• 鉄系酸化物系超伝導体における超伝導の電子的起源を調査し、とりわけ母体化合物LaFeAsOにおけるスピン密度波（SDW）秩序の役割を明らかにすること。
• 超伝導相に近接するがCuO2面を有さない点を踏まえ、母体化合物がSDW秩序を示すかどうかを特定すること。
• フェルミ面ネストと電子相関効果に注目し、SDW形成の微視的メカニズムを同定すること。
• SDW秩序と超伝導性の関係、特に電子ドーピングがSDWを抑制し超伝導を可能にするメカニズムを明確にすること。

提案手法

• 単結晶LaFeAsOにおける磁気励起状態を調べるため、非弾性中性子散乱（INS）を用いた。
• SDW秩序に特徴的なスピンギャップおよび集団磁気モードの存在を検出するため、スピン励起スペクトルを測定した。
• フェルミ面ネストに関連する波数ベクトル(π, π, 0)を特定するため、磁気励起状態の運動量依存性を分析した。
• 観測された励起エネルギースケールおよび分散関係から、低温におけるSDWギャップの開きを確認した。
• 2次元電子系におけるスピン密度波形成の理論モデルと実験データを比較した。
• 超伝導性が存在しない状態におけるSDW秩序の安定化に寄与する電子相関およびネストの役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的モデルが示唆するように、母体化合物LaFeAsOはスピン密度波（SDW）秩序を示すか？
• RQ2 LaFeAsOにおける磁気励起状態の運動量空間的構造は何か？ そしてフェルミ面ネストとどのように関係するか？
• RQ3 観測された磁気励起状態スペクトルは、フェルミ面にギャップを有するスピン密度波基底状態と整合するか？
• RQ4 母体化合物に存在するSDW秩序は、電子ドーピングによって超伝導が出現するのとどのように関係するか？
• RQ5 2次元的フェルミ面ネストは、LaFeAsOにおけるSDW不安定性を引き起こす役割を果たすか？

主な発見

• 非弾性中性子散乱を用いて、LaFeAsOにスピン密度波（SDW）の直接的実験的証明が得られた。
• SDW秩序は、波数ベクトル(π, π, 0)を有する二次元的フェルミ面ネストに起因し、電子状態と磁気秩序との強い相関を示している。
• 低温において明確なスピンギャップが開き、励起状態がネスト波数ベクトルに集中しており、基底状態がSDWであることを確認した。
• 観測された励起エネルギースケールおよび分散関係は、約15 meVのスピンギャップを示すSDW不安定性と整合的である。
• SDW状態は母体化合物において超伝導状態とは共存せず、電子ドーピングによりこの秩序が抑制され、超伝導が可能になる。
• フェルミ面ネストと鉄系超伝導体におけるSDW秩序の出現との直接的な関連が確立され、高Tc超伝導の主要メカニズムが明らかになった。