[論文レビュー] Ising incommensurate spin resonance of CeCoIn$_{5}$: a dynamical precursor of the Q-phase

S. Raymond, G. Lapertot|arXiv (Cornell University)|May 1, 2015

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、重いフェルミオン超伝導体 CeCoIn₅におけるスピン共鳴が非公比的で、Ising的性質を示し、c軸に沿ったフラクチュエーションが、場誘起Q相磁気秩序と同一の波数(Q_IC = 0.45, 0.45, 0.5)でピークを示すことを示した。共鳴とQ相は同一の対称性を共有しており、動的共鳴モードの凝縮によって静的磁気秩序が生じるというシナリオを強く支持する。

ABSTRACT

It is shown by detailed inelastic neutron scattering experiments that the gapped collective magnetic excitation of the unconventional superconductor CeCoIn$_{5}$, the spin resonance mode, is incommensurate and that the corresponding fluctuations are of Ising nature. The incommensurate peak position of these fluctuations corresponds to the propagation vector of the adjacent field induced static magnetic ordered phase, the so-called Q-phase. Furthermore, the direction of the magnetic moment fluctuations is also the direction of the ordered magnetic moments of the Q-phase. Hence the resonance mode and the Q-phase share the same symmetry and this strongly supports a scenario where the static order is realized by a condensation of the magnetic excitation.

研究の動機と目的

• CeCoIn₅における公比的スピン共鳴波数(Q_AF)と非公比的Q相秩序ベクトル(Q_IC)の間の長年の不一致を解消すること。
• 超伝導状態におけるスピン共鳴フラクチュエーションの対称性と偏光を特定すること。
• スピン共鳴が場誘起Q相磁気秩序の動的前身であるかどうかを調査すること。
• f電子系における超伝導性と磁性の微視的関係を明確にすること。
• 共鳴の非公比性と異方性を測定することで、スピン共鳴の理論的モデルを検証すること。

提案手法

• 非弾性中性子散乱(IN12)は、グルーノのインスティチュート・ラウ・ランジュヴィン(ILL)で実施された。
• スピン偏光入射ビームとヘウスラー分光器を用いた偏光中性子散乱により、スピンフラクチュエーションの偏光を測定した。
• 磁場最大10.5 Tの下でT = 1.43 Kの超伝導状態で実験を行い、Q相が出現する条件を再現した。
• 3通りの実験設定(A, B, C)を用い、固定された最終波数k_fと変化する絞りおよび分光器設定により、運動量およびエネルギー分解能を最適化した。
• スピン反転比を測定し、偏光の忠実度を確認した。15〜19の値が得られ、高い偏光純度を示した。
• 信号対雑音比と運動量分解能を向上させるために、大規模で高品質な単結晶アセンブリ（250 mm³、モザイク角~1.8°）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeCoIn₅におけるスピン共鳴は真に非公比的であり、場誘起Q相秩序と同一の波数でピークを示すか？
• RQ2 共鳴のスピンフラクチュエーションは特定の軸に沿って偏光しており、Q相における秩序的磁気モーメントの偏光と一致するか？
• RQ3 共鳴とQ相が同一の対称性を共有しており、動的前身関係があると示唆されるか？
• RQ4 f電子系においてIsing的フラクチュエーションがどのように生じるのか、そしてその磁気的相互作用に何を示唆するのか？
• RQ5 観測された非公比性と一軸的異方性は、既存のスピン共鳴理論モデルと整合するか？

主な発見

• CeCoIn₅におけるスピン共鳴は非公比的であり、Q_res = (0.45, 0.45, 0.5)でピークを示し、場誘起Q相磁気秩序の伝播ベクトルと一致する。
• 共鳴のスピンフラクチュエーションは一軸的で、c軸に沿って偏光しており、Q相における秩序的磁気モーメントの方向と同一である。
• 共鳴とQ相は同一の対称性を共有しており、共鳴が静的磁気秩序の動的前身であることを示唆している。
• Ising的フラクチュエーションの起源は、4f電子系における結晶場の異方性に起因し、d電子系超伝導体とは区別される。
• 共鳴は上向き分散とやや小さい交換エネルギーを示し、これはCeCu₂Si₂と共通する特徴であり、パラ磁性重フェルミオン超伝導体に共通する性質を示唆している。
• 本研究の結果は、既存のモデル（特にスピン励振子および磁気モードモデル）の見直しが必要であることを示しており、Q_AFにおける公比的共鳴を仮定しているこれらのモデルは、非公比性により前提が崩れる。