[論文レビュー] Itinerant Spin Excitations in SrFe2As2 Measured by Inelastic Neutron Scattering

R. A. Ewings, T. G. Perring+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、スピン励起を全ブリユアンゾーンおよび260 meVまで測定する非弾性中性子散乱を用いて、SrFe2As2における磁気的励起を評価した。局所モーメントJ1–J2モデルはデータを記述できないが、5バンドの移行的平均場モデルは高エネルギースペクトルおよびT_N,s以上の温度でQ=(0.5,0.5)に軟モードが存在しない現象を定量的に説明できる。結果から、電子的ネーマチック秩序や軌道秩序は磁気応答を説明するために必要ではないことが示され、移行的磁性が支配的であるとする主張が支持された。

ABSTRACT

We report inelastic neutron scattering measurements of the magnetic excitations in SrFe2As2, the parent of a family of iron-based superconductors. The data extend throughout the Brillouin zone and up to energies of ~260meV. An analysis with the local-moment J_1-J2 model implies very different in-plane nearest-neighbor exchange parameters along the $a$ and $b$ directions, both in the orthorhombic and tetragonal phases. However, the spectrum calculated from the J1-J2 model deviates significantly from our data. We show that the qualitative features that cannot be described by the J1-J2 model are readily explained by calculations from a 5-band itinerant mean-field model.

研究の動機と目的

• SrFe2As2における磁気的相互作用が、他の122-アルセナイドと同様に反強磁性状態で異方的であるかどうかを検証すること。
• Néel／構造転移温度T_N,s = 192 Kより上に温度を上げた際、スピン励起スペクトルが顕著に変化するかどうかを調査すること。
• 観測された磁気的励起を説明するにあたり、局所モーメント記述（J1–J2モデル）と移行的電子モデルの妥当性を評価すること。
• パラ磁性相におけるQ=(0.5,0.5)での軟モードの欠如が、電子的ネーマチック秩序や軌道秩序といった追加の対称性の破れ機構を要するかどうかを明確にすること。

提案手法

• SrFe2As2の単結晶を用いて、広いエネルギー範囲（5–260 meV）および2次元ブリユアンゾーン全域で非弾性中性子散乱（INS）測定を実施した。
• Néel／構造転移温度T_N,s = 192 Kの下および上での磁気的励起スペクトルを測定し、相転移に伴うスピンダイナミクスの変化を調査した。
• 最近接（J1a, J1b）および準近接（J2）スピン交換相互作用に加え、単一イオンの異方性項を含む局所モーメントJ1–J2モデルの予測と実験データを比較した。
• 移行的電子効果とスピン軌道結合を組み込んだ5バンドの移行的平均場モデルを用いて、スピン励起スペクトルを計算した。
• 有限の励起寿命を考慮し、減衰した調和振動子関数を用いた線形スピン波理論を用いて、応答関数S^yyおよびS^zzを抽出した。
• 中性子散乱断面積形式S^αβ(Q,ω) = S_eff × (A_Q ± C - D_Q) / (ħω) × {n(ω)+1} × δ(ω - ω_α(Q))に減衰項を導入し、実験データに適合させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 他の122-アルセナイドと同様に、SrFe2As2における磁気的交換異方性はT_N,s以上でも維持されているか？
• RQ2 パラ磁性テトラゴナル相において、局所モーメントモデルが予測するように、Q=(0.5,0.5)に顕著な軟モードがスピン励起スペクトルに現れるか？
• RQ3 J1–J2局所モーメントモデルは、SrFe2As2における全運動量およびエネルギー分解INSデータをどの程度定量的に記述できるか？
• RQ4 移行的5バンド平均場モデルは、高エネルギー磁気的励起スペクトルおよびT_N,s以上の温度で軟モードが存在しない現象を定量的に説明できるか？
• RQ5 T_N,s以上の温度でQ=(0.5,0.5)に軟モードが存在しないことは、移行的磁性と整合的であるか、それとも電子的ネーマチック秩序や軌道秩序といった追加の対称性の破れ機構を要するか？

主な発見

• SrFe2As2における高エネルギー磁気的励起スペクトルは、T_N,sを超えて温度上昇に対しても顕著に変化せず、軟モードの顕著な緩和やモードの変化は観測されなかった。
• J1–J2局所モーメントモデルはデータを定量的に記述できない。特に、パラ磁性相におけるQ=(0.5,0.5)での軟モードの欠如を説明できず、一貫性のないパラメータセットを必要としていた。
• 5バンドの移行的平均場モデルは、観測されたスペクトル、高エネルギー分散、および軟モードの欠如を、追加の対称性の破れ秩序を仮定せずに正確に説明できた。
• Néel転移に伴い、磁気的励起スペクトルの形に顕著な変化は観測されず、スピンダイナミクスが安定的で、移行的挙動と整合的であることが示された。
• パラ磁性相におけるQ=(0.5,0.5)での軟モードの欠如は、移行的モデルによって自然に説明可能であり、電子的ネーマチック秩序や軌道秩序といった追加の効果を仮定する必要はなかった。
• これらの結果は、従来の局所モーメント像を挑戦し、鉄系超伝導体の磁気的応答を特徴づける主な要因が移行的電子効果であるという主張を支持した。