[論文レビュー] Magnetic Order versus superconductivity in the Iron-based layered La(O1-xFx)FeAs systems

Clarina dela Cruz, Qing Huang+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では中性子散乱を用いて、母体化合物であるLaOFeAsが約134 Kで単斜晶対称性に移行し、長距離スピン密度波（SDW）反強磁性秩序を示すことを実証した。Feの磁化モーメントは0.36(5) μBと小さい。フッ素ドーピングにより磁気的および構造的転移が抑制され、鉄酸化物系超伝導体における超伝導は反強磁性秩序を持つ母状態から発現することを示し、高温超伝導体の銅酸化物と類似している。

ABSTRACT

In high-transition temperature (high-Tc) copper oxides, it is generally believed that antiferromagnetism plays a fundamental role in the superconducting mechanism because superconductivity occurs when mobile electrons or holes are doped into the antiferromagnetic parent compounds. The recent discovery of superconductivity in the rare-earth (R) iron-based oxide systems [RO1-xFxFeAs] has generated enormous interest because these materials are the first noncopper oxide superconductors with Tc exceeding 50 K. The parent (nonsuperconducting) LaOFeAs material is metallic but shows anomalies near 150 K in both resistivity and dc magnetic susceptibility. While optical conductivity and theoretical calculations suggest that LaOFeAs exhibits a spin-density-wave (SDW) instability that is suppressed with doping electrons to form superconductivity, there has been no direct evidence of the SDW order. Here we use neutron scattering to demonstrate that LaOFeAs undergoes an abrupt structural distortion below ~150 K, changing the symmetry from tetragonal (space group P4/nmm) to monoclinic (space group P112/n) at low temperatures, and then followed with the development of long range SDW-type antiferromagnetic order at ~134 K with a small moment but simple magnetic structure. Doping the system with flourine suppresses both the magnetic order and structural distortion in favor of superconductivity. Therefore, much like high-Tc copper oxides, the superconducting regime in these Fe-based materials occurs in close proximity to a long-range ordered antiferromagnetic ground state. Since the discovery of long

研究の動機と目的

• 非超伝導母体化合物LaOFeAsの真の基底状態を特定すること。
• LaOFeAsにおける150 K付近の抵抗率および磁化率の異常が、磁気的または構造的秩序に起因するものかどうかを調査すること。
• フッ素ドーピングが磁気的および構造的転移をどのように抑制して超伝導を促進するかを検討すること。
• 鉄酸化物超伝導体における反強磁性、構造的歪み、超伝導の関係を明確にすること。

提案手法

• 複数の温度で多結晶LaOFeAsおよびLa(O1-xFx)FeAs (x = 0.08) の中性子粉末回折を実施。
• NISTのBT-1およびBT-7回折計およびORNLのHB-1A分光計を用いて構造的および磁気的転移を測定。
• 構造的相転移を検出するために、(2,2,0)核ピークの温度依存的測定を実施。
• 三重軸分光計を用いた磁気的構造の精査により、磁気的ブラッグピークを特定し、秩序モーメントを決定。
• 核散乱に対する磁気散乱強度を正規化してFeの磁化モーメントを定量。
• 磁気的および構造的秩序パラメータの温度依存的変化を比較し、転移の順序を確立。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaOFeAsにおける150 K付近の抵抗率および磁化率の異常は、構造的転移か磁気的転移に起因するか？
• RQ2 母体化合物LaOFeAsは長距離反強磁性秩序を示すか？ もし示すならば、その磁気的構造は何か？
• RQ3 フッ素ドーピングはどのように磁気的および構造的転移を抑制して超伝導を可能にするか？
• RQ4 LaOFeAsにおいて構造的歪みと磁気的秩序化の間にどのような順序で進行するか？
• RQ5 LaOFeAsの磁気的基底状態は、スピン密度波（SDW）不安定性の理論的予測と整合しているか？

主な発見

• LaOFeAsは、(2,2,0)核ピークの分裂により示されるように、約155 Kでテトラゴナル（P4/nmm）から単斜晶（P112/n）対称性への構造的相転移を示す。
• 長距離反強磁性秩序が約134 Kで発現し、ストライプ型構造を示す。8 KにおけるFeの磁化モーメントは0.36(5) μBである。
• 磁気的転移が構造的転移の後に発生することから、格子歪みが磁気的秩序化よりも先に進行することが示された。
• 超伝導体La(O0.92F0.08)FeAsでは(1,0,3)磁気的ブラッグピークが観測されないため、フッ素ドーピングによる反強磁性の抑制が確認された。
• 構造的および磁気的転移が超伝導相で抑制されることから、超伝導は磁気的秩序を持つ母状態から発現することが示された。
• 観測された磁気的構造は理論的予測のSDW状態と整合するが、測定されたモーメント（0.36(5) μB）は予測値の約2.3 μBよりも顕著に小さい。