[論文レビュー] Neutron scattering patterns show Superconductivity in FeTe0.5Se0.5 likely results from itinerant electron fluctuations

H. A. Mook, M. D. Lumsden+9 more|ArXiv.org|Apr 14, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

FeTe0.5Se0.5における中性子散乱測定では、超伝導性が磁気秩序ではなく、移動電子の揺らぎから生じることが明らかになった。データは、Tc以上および以下で(π,π)に近い遷移が広範に見られ、これらの揺らぎによる強い対結合が示唆される。一方、正確な(π,π)遷移はTc以下で狭い共鳴を生じ、電子と空孔のフェルミ表面が共存する系における電子の動的相互作用によって駆動される対結合メカニズムを支持する。

ABSTRACT

The discovery of the Fe pnictide superconductors generated great interest as the structure consists of planes of a magnetic material quite similar to the cuprate superconductors. Fe(Te0.5Se0.5) is a particularly simple system whose planes are isostructural to the FeAs layers found in the originally discovered superconductors of this type. We report here neutron scattering measurements on this material that provide an understanding of the superconductivity. Since the information about the Fermi surface is available both from photoemission and band structure calculations for FeTe, FeSe and other related materials the neutron spectra can be used to see if the itinerant electron picture is valid. The results are consistent with a picture where there are both electron and hole Fermi surfaces that make exact (pi,pi) transitions possible. This would normally favor either a spin or charge density wave state. However, our measurements show the extent of the region where (pi,pi) transitions take place and demonstrate that there are a much larger number of transitions near pi,pi). The near (pi,pi) transitions are observed both above and below Tc and are expected to be strongly pairing. The superconductivity can be attributed to these excitations while the exactly (pi,pi) transitions produce the narrow resonance excitation that appears below Tc.

研究の動機と目的

• FeAs系超伝導体と構造的類似性を示す単純な鉄 chalcogenide であるFeTe0.5Se0.5における超伝導性の微視的起源を特定すること。
• 超伝導状態が局所的磁気モーメントやスピン密度波秩序ではなく、移動電子の揺らぎに起因するかを検証すること。
• 中性子散乱を用いてスピン励起を調べ、電子と空孔のフェルミ表面が共存する系における移動電子像の妥当性を評価すること。
• (π,π)運動量移動が超伝導対結合の発展およびTc以下の鋭い共鳴の形成に果たす役割を特定すること。

提案手法

• FeTe0.5Se0.5単結晶を用いて非弾性中性子散乱を実施し、運動量空間全域におけるスピン励起スペクトルをマッピングした。
• 散乱強度を運動量移動(Q)およびエネルギー(ω)の関数として分析し、特に(π,π)領域に注目した。
• ネストされた電子および空孔フェルミ表面を有する系における理論的予測と、観測された中性子散乱パターンを比較した。
• 超伝導転移温度Tc以上および以下のスピン励起の進化を調べ、対結合に関連する揺らぎを同定した。
• バンド構造計算および光電子分光データを用いて、フェルミ表面トポロジーおよびネスティング条件の解釈を裏付けた。
• Tc以下で(π,π)に正確に位置する鋭い共鳴が観測されたことから、スピンチャンネルにおける超伝導ギャップの形成が示唆された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeTe0.5Se0.5における(π,π)運動量移動に近いスピン励起は、移動電子対結合メカニズムを支持するか？
• RQ2 Tc以上および以下の中性子散乱パターンは、この鉄系超伝導体における電子相関および対結合の性質をどのように反映しているか？
• RQ3 観測された(π,π)に近いスピン励起は、スピン密度波や電荷密度波といった競合秩序ではなく、対結合揺らぎに対応しているとどの程度言えるか？
• RQ4 Tc以下で(π,π)に正確に位置する鋭い共鳴が観測されるのは、移動電子の揺らぎによって駆動される超伝導状態と整合的か？
• RQ5 FeTe0.5Se0.5における電子と空孔のフェルミ表面の共存は、(π,π)に近い遷移の強化と関連していると見なせるか？

主な発見

• 中性子散乱により、Tc以上および以下で(π,π)に近い運動量移動におけるスピン励起の広範な増幅が観測され、強い対結合揺らぎを示唆した。
• 正確な(π,π)遷移よりも(π,π)に近い遷移の強度が顕著に大きく、対結合がネストから外れた揺らぎによって駆動されている可能性を示唆した。
• Tc以下で正確な(π,π)に鋭い共鳴が出現し、スピンチャンネルにおける超伝導ギャップの形成と整合的であった。
• スピン密度波基底状態とは整合せず、(π,π)ピークがTc以上で優勢ではなく、期待される軟化も観測されなかった。
• 観測されたスピン励起スペクトルは、ネストされた電子および空孔フェルミ表面に存在する移動電子の集団揺らぎによって生じる超伝導性を支持する移動電子像を支持した。
• Tc以上でも強い(π,π)に近い散乱が持続していることから、対結合揺らぎが超伝導の発現によって誘導されるのではなく、事前に形成されていることが示唆された。