[論文レビュー] Longitudinal spin excitations and magnetic anisotropy in antiferromagnetically ordered BaFe2As2

Chong Wang, Rui Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、スピン極性化非弾性中性子散乱を用いて、反強磁性母体化合物 BaFe2As2 における縦磁気励起状態（LSE）を同定し、それらが磁気的性質に10%の寄与を示すことを明らかにした。局在的スピンモーメントの図式とは整合しないLSEの検出は、励起電子が鉄系超伝導体の母体化合物でさえも磁気的性質に重要な役割を果たしていることを直接的証明するものである。

ABSTRACT

We report on a spin-polarized inelastic neutron scattering study of spin waves in the antiferromagnetically ordered state of BaFe2As2. Three distinct excitation components are identified, with spins fluctuating along the c-axis, perpendicular to the ordering direction in the ab-plane, and parallel to the ordering direction. While the first two "transverse" components can be described by a linear spin-wave theory with magnetic anisotropy and inter-layer coupling, the third "longitudinal" component is generically incompatible with the local moment picture. It points towards a contribution of itinerant electrons to the magnetism already in the parent compound of this family of Fe-based superconductors.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における反強磁性秩序の微視的起源を特定すること、特にそれが局在的モーメントに起因するのか、それとも励起電子に起因するのかを明らかにすること。
• BaFe2As2 における磁気的性質が局在的モーメントか、フェルミ面のネスティングおよび励起電子によるものかという長年の論争を解消すること。
• 縦磁気励起状態（LSE）を実験的に検出すること。LSEは、励起電子による磁気的寄与の特徴的兆候である。
• 高精度のスピン極性化測定を用いて、反強磁性状態における横磁気励起状態と縦磁気励起状態の相対的寄与を定量すること。

提案手法

• イナーレ・ランジュビン研究所の IN22 三軸分光計を用いて、高品質な BaFe2As2 単結晶に対してスピン極性化非弾性中性子散乱（INS）を実施した。
• ヘウスラー結晶をスピン極性化モニターや分析器として用い、a、b、c結晶軸に沿ったスピン反転散乱成分と非スピン反転散乱成分を分離して測定した。
• 磁気的応答を、秩序方向に垂直なab面内（M_b）、c軸方向（M_c）、およびスティッテッド磁化に平行な方向（M_a）に測定することで、横成分と縦成分を分離可能とした。
• 横励起状態（M_b および M_c）を記述するため、磁気的異方性および層間結合を含む線形スピン波理論を用いて観測されたスピン波分散をフィッティングした。
• M_a のスペクトル強度およびエネルギー分散を、励起反強磁性体における振幅モードの理論的モデルと比較し、その起源を評価した。
• AFゾーン中心および境界（Q_AF）におけるエネルギーおよび運動量分解測定データを用いて、ブリュアンゾーン全域におけるスピン励起状態の進化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFe2As2 の反強磁性秩序状態に縦磁気励起状態（LSE）が存在するか。LSEの存在は、励起電子による寄与を示唆する。
• RQ2 観測されたスピン励起状態は、局在的モーメントモデルで記述可能か。それとも、励起電子の記述が必要か。
• RQ3 縦成分の相対的スペクトル強度およびエネルギースケールは、横スピン波と比べてどの程度か。
• RQ4 母体化合物におけるLSEの存在が、電子ドーピングされた系における超伝導の発現とどのように関係しているか。
• RQ5 スピン励起スペクトルにおける磁気的異方性は、単一イオン的異方性か交換異方性かを反映しているか。また、それらはLSEにどのように影響を与えるか。

主な発見

• 三つの異なるスピン励起成分が同定された：二つの横成分（M_b および M_c）と一つの縦成分（M_a）。M_a は、秩序モーメントの方向であるa軸に沿って揺らぎを示した。
• 横成分（M_b および M_c）は、磁気的異方性および層間結合を含む線形スピン波理論により定量的に記述可能であり、これは局在的モーメントの図式と整合的である。
• 縦成分 M_a は、低エネルギー領域におけるスペクトル強度の約10%を占め、局在的モーメントモデルとは整合せず、励起電子による顕著な寄与を示唆している。
• AFゾーン中心における M_a のエネルギーは、反強磁性秩序の発現に伴う一時的光学応答周波数と一致しており、これは励起反強磁性体における振幅モードとしての同定を支持する。
• 測定した最高エネルギーまで M_a の強度が減少しないことから、期待される振幅モードの連続体の下端に位置するものと解釈され、その帰属が支持された。
• 明確に記述可能な横スピン波と、明確に分離された縦励起状態の共存は、局在的モーメントと励起電子の両方が寄与するハイブリッド磁気的性質を示しており、後者により母体化合物の磁気的性質が支配的であることが示された。