[論文レビュー] Nematic spin fluid in the tetragonal phase of BaFe2As2

Leland Harriger, Huiqian Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、テトラゴナル相のBaFe2As2が、反強磁性転移温度（TN）より高い温度において、平面内スピン異方性を示すネーマチックスピンフラッドを有することを実証した。パラメトリック相におけるブリユアンゾーン境界近くでの異方性スピン励起の持続は、電子的ネーマチック性によって駆動されるスピンネーマチック秩序が、構造的および磁気的転移の前触れであり、おそらくそれらを媒介していることを示しており、鉄系超伝導体における電子的ネーマチック性の役割を解明する上で重要な知見を提供する。

ABSTRACT

Magnetic interactions are generally believed to play a key role in mediating electron pairing for superconductivity in iron arsenides; yet their character is only partially understood. Experimentally, the antiferromagnetic (AF) transition is always preceded by or coincident with a tetragonal to orthorhombic structural distortion. Although it has been suggested that this lattice distortion is driven by an electronic nematic phase, where a spontaneously generated electronic liquid crystal state breaks the C4 rotational symmetry of the paramagnetic state, experimental evidence for electronic anisotropy has been either in the low-temperature orthorhombic phase or the tetragonal phase under uniaxial pressure that breaks this symmetry. Here we use inelastic neutron scattering to demonstrate the presence of a large in-plane spin anisotropy above TN in the unstressed tetragonal phase of BaFe2As2. In the low-temperature orthorhombic phase, we find highly anisotropic spin waves with a large damping along the AF a-axis direction. On warming the system to the paramagnetic tetragonal phase, the low-energy spin waves evolve into quasi-elastic excitations, while the anisotropic spin excitations near the zone boundary persist. These results strongly suggest that the spin nematicity we find in the tetragonal phase of BaFe2As2 is the source of the electronic and orbital anisotropy observed above TN by other probes, and has profound consequences for the physics of these materials.

研究の動機と目的

• 長距離磁気秩序が存在しないパラメトリックなテトラゴナル相におけるBaFe2As2のスピン異方性の存在を調査すること。
• C4回転対称性の破れを示す電子的ネーマチック性が、反強磁性転移の前段階でスピン自由度に現れるかどうかを特定すること。
• テトラゴナルから正方晶への構造的転移を媒介するスピンネーマチック秩序の役割を明確にすること。
• テトラゴナル相における観測された電子的および軌道的異方性と、スピン異方性との関連を確立すること。

提案手法

• 単結晶BaFe2As2におけるスピン励起スペクトルを調査するために、非弾性中性子散乱（INS）が用いられた。
• 反強磁性転移温度（TN）より低い温度および高い温度で測定を行い、パラメトリック状態と反強磁性状態のスピンダイナミクスを比較した。
• スピン波分散およびスペクトル強度を分析して、スピン励起強度およびエネルギー依存性における異方性を検出した。
• 異方性励起の性質を評価するために、スピンネーマチック秩序およびスピン波理論の理論モデルとデータを比較した。
• 特にブリルアンゾーン境界付近におけるスピン励起の動径依存性を詳細に分析した。
• 補足的な中性子散乱データを用いて、パラメトリック相における異方性の持続を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離磁気秩序が存在しないにもかかわらず、BaFe2As2のパラメトリックなテトラゴナル相においてスピン異方性がTNより高い温度でも持続するか？
• RQ2 観測された平面内スピン異方性の起源は何か。また、それは電子的ネーマチック性と関連しているか？
• RQ3 低温の正方晶相からパラメトリックなテトラゴナル相に至る過程で、スピン励起はどのように変化するか？
• RQ4 ブリルアンゾーン境界付近での異方性スピン励起が、パラメトリック状態においてどの程度持続するか。これはネーマチックスピンフラッドの存在を示唆するか？
• RQ5 観測されたスピン異方性は、回転対称性の破れを示すスピンネーマチック状態と整合的か？

主な発見

• TNより高いパラメトリックなテトラゴナル相において、大きな平面内スピン異方性が観測され、これはスピンネーマチック秩序の存在を示している。
• 低温の正方晶相では、スピン波がAF a軸に沿って強く減衰しており、異方性スピンダイナミクスを示している。
• テトラゴナル相に温めると、低エネルギーのスピン波は準弾性励起に変化するが、ブリルアンゾーン境界付近の異方性スピン励起は持続する。
• パラメトリック相における異方性スピン励起の持続は、TNより高い温度においてネーマチックスピンフラッド状態が存在することを強く示唆する。
• 結果から、テトラゴナル相におけるスピンネーマチック性が、抵抗率や光学測定など他のプローブで観測された電子的および軌道的異方性の原因であると示唆される。
• これらの発見は、スピンネーマチック秩序が構造的転移を駆動する上で根本的な役割を果たしており、鉄アルニド超伝導体における超伝導ペアリングにも影響を及ぼす可能性があることを示唆している。