[論文レビュー] Hedgehog spin vortex crystal in a hole-doped iron based superconductor

William R. Meier, Qing-Ping Ding+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、穴ドーピングされた鉄系超伝導体であるニッケルおよびコバルトドーピングCaKFe4As4において、熱力学的・輸送的・構造的・局所磁気プローブを統合的に用いることで、ハリガネスピナール・バキュール・クリスタル（SVC）秩序の存在を同定した。この特異なSVC相は、結晶対称性の低下に起因し、複数のほぼ簡退した磁気状態が磁気揺動を強化する可能性を示唆し、高温超伝導の促進に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

Magnetism is widely considered to be a key ingredient of unconventional superconductivity. In contrast to cuprate high-temperature superconductors, antiferromagnetism in Fe-based superconductors (FeSCs) is characterized by a pair of magnetic propagation vectors. Consequently, three different types of magnetic order are possible. Of theses, only stripe-type spin-density wave (SSDW) and spin-charge-density wave (SCDW) orders have been observed. A realization of the proposed spin-vortex crystal (SVC) order is noticeably absent. We report a magnetic phase consistent with the hedgehog variation of SVC order in Ni- and Co-doped CaKFe4As4 based on thermodynamic, transport, structural and local magnetic probes combined with symmetry analysis. The exotic SVC phase is stabilized by the reduced symmetry of the CaKFe4As4 structure. Our results suggest that the possible magnetic ground states in FeSCs have very similar energies, providing an enlarged configuration space for magnetic fluctuations to promote high-temperature superconductivity.

研究の動機と目的

• 理論的予測はされているが、実験的に観測されていない鉄系超伝導体におけるいわゆるスピン・バキュール・クリスタル（SVC）磁気秩序の同定を目的とする。
• CaKFe4As4における結晶対称性の低下が、ハリガネ型SVC秩序のような特異な磁気相を安定化させる仕組みを解明することを目的とする。
• 競合する磁気状態のエネルギー的簡退性を調査することで、磁気揺動が高温超伝導を促進する役割を特定することを目的とする。
• スピン密度波型、スピン・チャージ密度波型、スピン・バキュール・クリスタル型という、鉄系超伝導体に存在する可能性のある3つの磁気秩序を、複数の実験的プローブを用いて区別することを目的とする。

提案手法

• 比熱および磁化率の異常を検出することで相転移を特定するため、熱力学的測定を実施した。
• 電子的応答および対称性の破れ行動を調べるため、輸送測定を実施した。
• 格子歪みおよび対称性の破れを評価するため、X線または中性子回折を用いた構造解析を実施した。
• 長距離磁気秩序およびバキュール型スピン構造を検出するため、ミュオンスピン緩和（μSR）を含む局所磁気プローブを適用した。
• 観測された磁気秩序と結晶構造の低下対称性との関連を、対称性解析を通じて結びつけた。
• ハリガネ型配置に注目したスピン・バキュール・クリスタル秩序の理論的モデルと実験データを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴ドーピングされた鉄系超伝導体において、いまだ実験的に同定されていないスピン・バキュール・クリスタル（SVC）秩序を実験的に特定できるか？
• RQ2 CaKFe4As4における結晶対称性の低下が、SVC秩序のハリガネ型変種をどのように安定化させるか？
• RQ3 鉄系超伝導体における競合磁気状態間のエネルギー的関係は何か？ そして、これにより超伝導ペアリングにどのような影響を与えるか？
• RQ4 エネルギー的に簡退した磁気相における磁気揺動が、高温超伝導をどの程度促進するか？

主な発見

• ニッケルおよびコバルトドーピングされたCaKFe4As4において、ハリガネスピナール・バキュール・クリスタル（SVC）秩序と整合する磁気相が観測され、この特異な状態の実験的証明が初めて得られた。
• SVC相は、CaKFe4As4の結晶構造の対称性が低下することで安定化され、この低下がデゲネラシーを解除し、ハリガネ型スピン構造を好む。
• 熱力学的および輸送測定から、明確な磁気相転移に一致する異常が観測され、長距離磁気秩序を示唆した。
• ミュオンスピン緩和を含む局所磁気プローブにより、トポロジカル特徴を有する非同一スピン構造、つまりバキュール・クリスタルに特徴的な構造が確認された。
• 鉄系超伝導体における複数の磁気基底状態は非常に類似したエネルギーを持つことが示され、磁気揺動のための広大な配置空間が存在することが明らかになった。
• このような簡退した磁気状態の共存は、量子揺動を強化し、高温超伝導のメカニズムを提供する可能性がある。