[論文レビュー] Resonant Spin Excitation in the High Temperature Superconductor Ba0.6K0.4Fe2As2

A. D. Christianson, E. A. Goremychkin+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 14被引用数 247

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、鉄ヒ素化超伝導体Ba0.6K0.4Fe2As2における共鳴スピン励起の最初の実験的証明がなされた。共鳴は約14 meVに現れ、Tc = 38 Kで消失し、超伝導ギャップとスケーリングするため、電子パッチとホールパッチを結合するスピンフラクチュエーション駆動の拡張s±-波対称性を強く支持する。

ABSTRACT

The recent observations of superconductivity at temperatures up to 55K in compounds containing layers of iron arsenide have revealed a new class of high temperature superconductors that show striking similarities to the more familiar cuprates. In both series of compounds, the onset of superconductivity is associated with the suppression of magnetic order by doping holes and/or electrons into the band leading to theories in which magnetic fluctuations are either responsible for or strongly coupled to the superconducting order parameter. In the cuprates, theories of magnetic pairing have been invoked to explain the observation of a resonant magnetic excitation that scales in energy with the superconducting energy gap and is suppressed above the superconducting transition temperature, Tc. Such resonant excitations have been shown by inelastic neutron scattering to be a universal feature of the cuprate superconductors, and have even been observed in heavy fermion superconductors with much lower transition temperatures. In this paper, we show neutron scattering evidence of a resonant excitation in Ba0.6K0.4Fe2As2, which is a superconductor below 38K, at the momentum transfer associated with magnetic order in the undoped compound, BaFe2As2, and at an energy transfer that is consistent with scaling in other strongly correlated electron superconductors. As in the cuprates, the peak disappears at Tc providing the first experimental confirmation of a strong coupling of the magnetic fluctuation spectrum to the superconducting order parameter in the new iron arsenide superconductors.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体Ba0.6K0.4Fe2As2に共鳴磁気励起が存在するかを調査すること。
• cupratesや重フェルミオン系と同様に、動的磁気感受率に超伝導性に関連する共鳴が現れるかを特定すること。
• 中性子散乱測定を用いて、理論的予測である拡張s±-波対称性を検証すること。
• 鉄ヒ素化物における共鳴エネルギーと超伝導ギャップパラメータとのスケーリング関係を確立すること。

提案手法

• 入射中性子エネルギー60 meVおよび15 meVの条件下で、多結晶Ba0.6K0.4Fe2As2試料に対して非弾性中性子散乱を実施した。
• Tc = 38 Kより上および下の温度で磁気励起スペクトルを測定し、スピンダイナミクスの変化を検出した。
• 共鳴ピークの周囲の運動量およびエネルギー領域における強度を統合し、温度依存性を評価した。
• 観測された共鳴エネルギーおよび運動量移動を、母体化合物BaFe2As2の磁気秩序波数ベクトルと比較した。
• ARPESデータを用いて超伝導ギャップΔ0 ≈ 12 meVを推定し、共鳴エネルギーと比較した。
• コherー二ティファクター理論を適用して、特にホールパッチと電子パッチに符号反転ギャップを有するs±-波対称性との関連を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba0.6K0.4Fe2As2は、Tc未満で動的磁気感受率に共鳴スピン励起を示すか？
• RQ2 共鳴エネルギーが、cupratesや重フェルミオン系と同様に超伝導ギャップとスケーリングするか？
• RQ3 共鳴の運動量移動は、母体化合物BaFe2As2の磁気秩序波数ベクトルに対応するか？
• RQ4 観測された共鳴は、異なるフェルミ表面シートに符号反転ギャップを有する拡張s±-波対称性によって説明可能か？
• RQ5 共鳴強度の温度依存性は、超伝導秩序パラメータとの結合をどのように確認するか？

主な発見

• 15 meVに明確な共鳴ピークがスピン励起スペクトルに観測され、最大強度はQ ≈ 1.15 Å⁻¹に現れ、母体化合物BaFe2As2の磁気秩序波数ベクトルと一致した。
• 共鳴強度はTc = 38 Kで消失し、超伝導秩序パラメータとの直接的結合を確認した。
• 共鳴エネルギーω₀ ≈ 14 meVは、ω₀/2Δ₀ ≈ 0.58に相当し、他の非摂動的超伝導体で観測されたスケーリングと整合的であった。
• 共鳴エネルギーは約4.3 Tcであり、cupratesで見られる標準的な5 Tcスケーリングに近く、ただしω₀/2Δ₀比はわずかに低かった。
• この観測結果は、スピンフラクチュエーションが符号反転ギャップを有するホールパッチと電子パッチを接続するQで強化される拡張s±-波対称性を支持する。
• ARPES測定によりすべてのフェルミ表面シートに等方的ギャップが観測されたことから、単純なd波対称性は除外された。d波の節は、この結果と整合しない。