[論文レビュー] Paramagnetic Spin Correlations in CaFe2As2 Single Crystals

Souleymane Diallo, DAN E. PRATT+14 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Jan 17, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、反強磁性転移温度（TN = 172 K）より高い温度におけるCaFe2As2のパラ磁性スピン相関を非弾性中性子散乱を用いて調査した。300 Kまで、Q_AFМを中心に短距離的で異方的な反強磁性フラクチュエーションが観測され、準二次元的性質と過減衰したダイナミクスを示しており、正方晶相にナノスケールのスピンネマチックおよびストライプ相関が存在することを示している。

ABSTRACT

Magnetic correlations in the paramagnetic phase of CaFe2As2 (T_N=172 K) have been examined by means of inelastic neutron scattering from 180 K (~ 1.05 T_N) up to 300 K (~1.8 T_N). Despite the first-order nature of the magnetic ordering, strong but short-range antiferromagnetic (AFM) correlations are clearly observed. These correlations, which consist of quasi-elastic scattering centered at the wavevector Q_{AFM} of the low-temperature AFM structure, are observed up to the highest measured temperature of 300 K and at high energy transfer (E> 60 meV). The L dependence of the scattering implies rather weak interlayer coupling in the tetragonal c-direction corresponding to nearly two-dimensional fluctuations in the (ab) plane. The spin correlation lengths within the Fe layer are found to be anisotropic, consistent with underlying fluctuations of the AFM stripe structure. Similar to the cobalt doped superconducting BaFe2As2 compounds, these experimental features can be adequately reproduced by a scattering model that describes short-range anisotropic spin correlations with overdamped spin dynamics.

研究の動機と目的

• CaFe2As2の磁気秩序化温度TN=172 Kより高いパラ磁性相におけるスピンフラクチュエーションの性質を調査すること。
• 超伝導性鉄ヒ hydride化合物で観測された準二次元的かつ強く減衰したスピンフラクチュエーションが、母体化合物に固有のものであるのか、それともドーピングによってのみ出現するのかを特定すること。
• 磁気フラストレーションおよび層間結合が、正方晶相におけるスピン相関長およびダイナミクスをどのように規定しているかを検討すること。
• パラ磁性スピンフラクチュエーションとその背後にあるJ1-J2スピンモデルとの関係、特にスピン相関の異方性を評価すること。

提案手法

• TNより高いパラ磁性相をカバーする180 Kから300 Kまでの温度範囲で、単結晶CaFe2As2を用いて非弾性中性子散乱を実施した。
• 散乱強度を動径空間で測定し、(hhL)および(h0L)面を通る断面に注目して、スピン相関の運動量およびエネルギー依存性をマッピングした。
• 散乱強度のL依存性を分析して、層間結合強度を抽出し、スピンフラクチュエーションの二次元性を評価した。
• 面内スピン相関長の異方性を用いて、最近接隣接（J1）および準近接隣接（J2）交換相互作用の相対的強さを推定した。
• Q_AFМを中心に集中する準弾性散乱を記述するため、異方的で短距離的かつ過減衰したスピンフラクチュエーションのモデルにデータをフィットした。
• パラ磁性相で抽出した交換比（J1/J2およびJc/J2）を秩序状態での値と比較し、転移に伴う磁気的相互作用の安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaFe2As2のパラ磁性相（TN=172 Kより高い温度）に、短距離的反強磁性スピン相関が存在するか？
• RQ2 正方晶相におけるスピンフラクチュエーションの次元性および異方性は何か？また、秩序状態におけるそれらと比較するとどうなるか？
• RQ3 パラ磁性相における層間結合強度（Jc）は、反強磁性秩序状態におけるそれと比べてどうか？
• RQ4 観測されたスピンフラクチュエーションは、磁気フラストレーションおよびネマチック秩序を示す、背後にあるJ1-J2モデル物理学をどの程度反映しているか？
• RQ5 母体化合物のパラ磁性スピンフラクチュエーションは、超伝導性鉄ヒ hydride化合物で観測されたものと類似しており、スピンダイナミクスに共通の起源があると考えられるか？

主な発見

• 強力で短距離的な反強磁性スピン相関が300 Kまで持続しており、低温のAFM構造の波数ベクトルQ_AFМを中心に集中している。これは、TNより高い温度でも磁気秩序パラメータが存続していることを示している。
• Fe(110)面内におけるスピン相関長は異方的であり、反強磁性結合に沿っては相関長が長く、強磁性結合に沿っては短い。これはJ1のフラストレーションに起因する。
• パラ磁性相における最近接隣接対次近接隣接交換相互作用比はJ1/J2 = 0.55 ± 0.36であり、J1が反強磁性的であることを確認し、フラストレーション状態にあることを示している。
• 層間結合は弱く、Jc/J2 ≈ 0.1 ± 0.01である。これは、TNより高い温度でスピンフラクチュエーションが主に二次元的であることを示しており、TN未満の状態とは対照的に三次元的性質が弱い。
• 有効な準近接隣接交換相互作用J2はスピン感受率χ₀から推定され、約10 meVであった。これは秩序状態でスピン波のフィットから得られた25–35 meVと整合的である。
• パラ磁性スピンフラクチュエーションは過減衰したダイナミクスを示し、短距離的で異方的なスピン相関のモデルでよく記述できる。これは、超伝導性BaFe2As2化合物で観測されたものと類似している。