[論文レビュー] Probing multi-band superconductivity and magnetism in SmFeAsO$_{0.8}$F$_{0.2}$ single crystals by high-field vortex torque magnetometry

Luis Balicas, A. Gurevich+10 more|ArXiv.org|Sep 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、SmFeAsO₀.₈F₀.₂単結晶における多バンド超伝導を、高磁場ボーラストルク磁化率測定を用いて調査した。その結果、低温・高磁場領域で有効質量異方性γ(T,H)がγ ≈ 9に飽和し、超流動密度に顕著な磁場誘起抑制は認められなかった。結果は、ほぼ同一の大きさを有する2つの強く結合した超伝導ギャップを示しており、強い結合超伝導と整合的である。一方、Sm³⁺イオンに起因するパラ磁性寄与は、γの正確な抽出に注意深い補正を要する。

ABSTRACT

To probe manifestations of multiband superconductivity in oxypnictides, we measured the angular dependence of magnetic torque $τ(θ)$ in the mixed state of SmO$_{0.8}$F$_{0.2}$FeAs single crystals as functions of temperature $T$ and high magnetic field $H$ up to 30 T. We show that the effective mass anisotropy parameter $γ$ extracted from $τ(θ)$, can be greatly overestimated if the strong paramagnetism of Sm or Fe ions is not properly taken into account. The correctly extracted $γ$ depends on both $T$ and $H$, saturating at $γ\simeq 9$ at lower temperatures. Neither the London penetration depth nor the superfluid density is affected by high fields fields up to the upper critical field. Our results indicate two strongly-coupled superconducting gaps of nearly equal magnitudes.

研究の動機と目的

• SmFeAsO₀.₈F₀.₂における質量異方性パラメータγの真の磁場および温度依存性を解明すること。これはSm³⁺イオンの強いパラ磁性が測定を歪めるためである。
• 低磁場技術の限界を克服し、高磁場ボーラストルク測定を用いて鉄系超伝導体における多バンド超伝導を調査すること。
• 仮想上臨界磁場Hᵥを超えて、超流動密度またはLondon浸透深度λ(T,H)に磁場誘起抑制が見られるかを検証し、弱い結合行動を示すかを判別すること。
• トルク信号における超伝導的寄与とパラ磁性寄与を区別し、内在的ボーラス磁化率を抽出すること。

提案手法

• 単結晶を用いて、30 Tまでおよび20–40 Kの温度範囲で高磁場ボーラストルク磁化率測定を実施した。
• 様々なHおよびTにおけるトルクτ(θ)の角度依存性を測定し、上昇・下降角度スキャンの平均をとることで平衡トルクτₐᵥ(θ)を抽出した。
• パラ磁性寄与τₘ（Sm³⁺およびFe²⁺イオンに起因）を補正する修正London理論モデル（式1）を用いて、γ(T,H)を抽出した。
• パラ磁性トルクτₘは、磁場に依存するg因子を有する単一イオンハミルトニアンを用いてモデル化され、高磁場領域における非理想的なパラ磁性行動を考慮した。
• London近似がH ≪ Hc₂で成立すると仮定し、トルク方程式を用いてτ(θ)データからLondon浸透深度λ(T,H)を抽出した。
• 理想的な正弦関数的τ(θ)行動からの逸脱を分析し、高磁場領域における非局所的または対生成破壊補正を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場下におけるSmFeAsO₀.₈F₀.₂の有効質量異方性γ(T,H)の挙動はどのように変化するのか。また、Sm³⁺パラ磁性はその測定を歪める要因として果たす役割は何か？
• RQ2 Hᵥを超えて、London浸透深度λ(T,H)に磁場誘起抑制が見られるか。これはバンドの分離または弱い結合行動を示唆するか？
• RQ3 高いTcおよび高いHc₂が示唆するように、SmFeAsO₀.₈F₀.₂の超伝導ギャップは強く結合しているとされるが、その証拠は何か？
• RQ4 Sm³⁺イオンに起因するパラ磁性トルクを、超伝導ボーラストルクから正確に分離し、内在的異方性パrameterを抽出できるか？
• RQ5 高磁場領域におけるパラ磁性トルクの観察された磁場および温度依存性の起源は何か。これは、磁場誘起反強磁性を示唆するか？

主な発見

• 有効質量異方性γ(T,H)は、低温・高磁場領域でγ ≈ 9に飽和し、以前に報告されたγ ≥ 30の値よりも顕著に低い値を示した。
• London浸透深度λ(T,H)は30 Tまで顕著な磁場依存性を示さず、Hᵥを超えて超流動密度の急激な抑制がないことから、強い結合と整合的である。
• γ(T,H)の磁場および温度依存性と、λ(T,H)の高磁場領域における感度の低さから、ほぼ同一の大きさの2つの超伝導ギャップが推定された。
• 高磁場・低温領域ではSm³⁺イオンに起因するパラ磁性トルクが支配的であり、真の超伝導的寄与を抽出するには注意深いモデリングが必要である。
• 観察されたパラ磁性トルクの磁場および温度依存性は、磁場誘起磁気的異方性または非Curie-Weiss的挙動を示唆するが、ボーラスコア内に磁場誘起反強磁性は認められなかった。
• 結果は弱い結合行動を排除し、SmFeAsO₀.₈F₀.₂に2つの強く結合した超伝導ギャップが存在するという状況を支持しており、パラ磁性汚染を補正した後、γ ≈ 9が真の値であると結論づけた。