[論文レビュー] Local antiferromagnetic correlations in the iron pnictide superconductors LaFeAsO{1-x}F{x} and Ca(Fe,Co)2As2 as seen via normal-state susceptibility

R. Klingeler, N. Leps+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、長距離磁気秩序がドーピングによって抑制され、超伝導性が出現した後も、鉄ヒ素化物超伝導体LaFeAsO₁₋ₓFₓおよびCa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の正常状態において、局所的な反強磁性（AFM）相関が持続することを明らかにした。温度依存の磁化率およびNMRカー項移位測定を用いて、ドーピングに依存しない線形増加を示す磁化率の増加を実証し、超伝導相へも及ぶ強固で内在的な局所的AFM揺動が存在することを示した。これは、事前に形成されたスピンサブシステムによって駆動される疑似ギャップ状態の存在を示唆している。

ABSTRACT

We have studied the interplay of magnetism and superconductivity in LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ and Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$. While antiferromagnetic spin density wave formation is suppressed and superconductivity evolves, all samples show a doping independent strong increase of the normal state susceptibility upon heating which appears a general feature of iron pnictides. The data provide evidence for robust local antiferromagnetic correlations persisting even in the superconducting regime of the phase diagram.

研究の動機と目的

• 長距離反強磁性秩序が抑制された後の鉄ヒ素化物超伝導体の正常状態における磁気相関の持続を調査すること。
• 特に、磁気的・構造的秩序が存在しない均一な超伝導性を示すLaFeAsO₁₋ₓFₓにおいて、局所的反強磁性揺動が超伝導領域にまで残存するかどうかを特定すること。
• 観測された磁化率の温度依存性が、磁性不純物などの外部要因によるものか、それとも内在的な電子的性質によるものかを判断すること。
• 広いドーピング範囲においてLaFeAsO₁₋ₓFₓとCa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂の磁化率の挙動を比較し、観察された効果の普遍性を評価すること。
• 磁化率の異常な温度依存性、特に温度に比例して増加する挙動の本質を解明し、電子対結合メカニズムに与える意味を明らかにすること。

提案手法

• SQUID磁化計を用いて、1 Tおよび2 mTの磁場下で、単結晶のLaFeAsO₁₋ₓFₓ（x = 0.05–0.15）およびCa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0.045–0.125）における静的磁化率χ = M/Bを測定した。
• 磁性不純物からの寄与を除外するために、整列した粉末試料を用いたNMRカー項移位測定を実施し、観測された磁化率応答の内在的性質を確認した。
• 正常状態におけるχ(T)の温度依存性を分析し、特に温度に比例する増加に注目し、ドーピングされていない母体化合物のデータと比較した。
• 2次元フラストレーテッドヘイゼンベルグ模型および移動電子フェルミ液体アプローチを含む理論的モデルを適用し、観測されたχ(T)挙動を局所的AFM相関または事前に形成されたスピンサブシステムと関連付ける解釈を行った。
• X線回折およびWDXスペクトロスコピーを用いて、試料の純度および相の組成を確認し、不純物含有量が3%未満であることを確認した。
• 磁化、抵抗率、μSRおよびNMRを補足的に用いて、超伝導転移温度の確認および長距離磁気秩序の不在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離磁気秩序が抑制された後の鉄ヒ素化物超伝導体の正常状態において、局所的反強磁性相関が持続するか？
• RQ2 観測された磁化率の温度依存的増加が、内在的かつドーピングに依存しないものであり、普遍的な電子的メカニズムを示唆するか？
• RQ3 異常なχ(T)挙動は、長距離秩序ではなく、事前に形成されたスピンサブシステムまたは局所的AFM揺動によって説明可能か？
• RQ4 LaFeAsO₁₋ₓFₓにおける磁化率挙動は、Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂と比較してどのように異なるか？ これは、この効果の普遍性に何を示唆するか？
• RQ5 観測された磁化率の増加と超伝導性の出現との関係は何か？ 特に磁気秩序が存在しない状況での関係は？

主な発見

• LaFeAsO₁₋ₓFₓ（x ≥ 0.05）およびCa(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x ≥ 0.045）の両方において、正常状態の磁化率χ(T)は温度に比例して線形に増加し、測定範囲の全ドーピング領域でドーピングレベルに依存しない勾配を示した。
• このドーピングに依存しないχ(T)の線形増加は、超伝導状態でも観測され、長距離磁気秩序の抑制を越えて局所的反強磁性相関が持続していることを示した。
• NMRカー項移位測定により、磁化率応答の内在的性質が確認され、磁性不純物や強磁性不均一性からの寄与が除外された。
• 観測された挙動は、特に2次元フラストレーテッドヘイゼンベルグ模型および非解析的スピン磁化率を伴う移動電子フェルミ液体アプローチを含む理論モデルと整合的であり、局所的反強磁性揺動または事前に形成されたスピンサブシステムを示唆した。
• 本研究は、ドーピングに依存しない疑似ギャップ的挙動が鉄ヒ素化物の正常状態に存在することを示す初の実験的証拠を提供し、全ドーピング範囲で普遍的な線形χ(T)依存性を示した。
• 結果から、局所的反強磁性相関は鉄ヒ素化物の普遍的特徴であり、長距離秩序が存在しない状況でも高温超伝導のメカニズムにおいて重要な役割を果たす可能性があることが示唆された。