[論文レビュー] Spin nematic susceptibility studied by inelastic neutron scattering in FeSe

Shin‐ichi Shamoto, K. Matsuoka+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いてFeSeにおけるスピン励起を調査し、70–80 meV付近で局所的スピンモーメントモデルとは矛盾するエネルギー依存性のスペクトル重み抑制を明らかにした。結果は、拡散電子像を支持しており、90 Kにおけるネーミング遷移がスピン揺らぎではなく軌道自由度によって駆動されていることを示唆している。

ABSTRACT

Mechanism of unconventional superconductivity in FeSe has been intensely scrutinized recently because of a variety of exotic properties unprecedented for other iron-based superconductors. A central unanswered question concerns the origin of the interaction that causes the nematic transition at $T_s=90\,K$ without accompanying magnetic order. Elucidating the nature of spin excitations in the normal state is a key to addressing this issue. Here we report, from inelastic neutron-scattering measurements in FeSe single crystals, that high-energy spin excitation spectra of FeSe exhibit characteristic energy dependence with missing intensity at around 70-80$\,$meV, which are very different from other iron-based superconductors. Despite of the strongest electron correlations among the iron-based superconductor family, the spectra are qualitatively at variance with the local moment model and can be essentially described by the itinerant electron picture. Moreover, the dynamical spin susceptibility above $T_s$ is only weakly temperature dependent, which is in stark contrast to the Curie-Weiss behavior of the electronic nematic susceptibility, suggesting that the nematic transition is not likely driven by spin but by orbital degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 不規則超伝導を研究する上で重要な系であるFeSeの正常状態におけるスピン励起の性質を理解すること。
• FeSeにおける90 Kでのネーミング遷移がスピン揺らぎか、軌道自由度によって駆動されているかを特定すること。
• 観測されたスピン励起スペクトルを説明するための局所的スピンモーメントモデルと拡散電子モデルの妥当性を検証すること。
• FeSeにおける動的スピン感受率の温度依存性と電子的ネーミング感受率の温度依存性を比較すること。

提案手法

• 高品質なFeSe単結晶を用いて非弾性中性子散乱を実施し、動的スピン構造因子を調べた。
• エネルギーおよび温度の広い範囲でスピン励起スペクトルを測定し、特に70–80 meV付近に注目した。
• スピンスペクトル重みのエネルギーおよび温度依存性を分析し、局所的スピンモーメント行動からの逸脱を評価した。
• 動的スピン感受率の温度変化を、電子的ネーミング感受率のCurie-Weiss型の振る舞いと比較した。
• 観測されたスペクトル特徴を解釈するための理論的枠組みとして、拡散電子モデルを用いた。
• スピンと軌道秩序パラメータに基づくモデルとのデータの一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeにおける高エネルギー域スピン励起の性質は何か？ 他の鉄系超伝導体とはどのように異なるか？
• RQ2 FeSeで観測されたスピン励起スペクトルは、局所的スピンモーメント説か、拡散電子説のどちらを支持するか？
• RQ3 動的スピン感受率の温度依存性は、電子的ネーミング感受率の温度依存性とどのように比較できるか？
• RQ4 FeSeにおける90 Kでのネーミング遷移は、スピン揺らぎか、軌道自由度によって駆動されているか？
• RQ5 70–80 meVにおけるスペクトル重みの欠落は、拡散電子モデルで説明可能か？

主な発見

• FeSeにおける高エネルギー域スピン励起スペクトルは、70–80 meV付近で顕著な強度抑制を示しており、他の鉄系超伝導体には見られない特徴である。
• 観測されたスピン励起スペクトルは、局所的スピンモーメントモデルとは整合せず、むしろ拡散電子像による予測と定性的に一致する。
• FeSeにおける動的スピン感受率は、ネーミング遷移温度（Ts = 90 K）より上でも僅かな温度依存性を示し、電子的ネーミング感受率の強いCurie-Weiss型温度依存性とは著しく対照的である。
• スピン感受率の弱い温度依存性は、スピン揺らぎがネーミング遷移を駆動している可能性が低いことを示唆している。
• 結果は、FeSeにおけるネーミング秩序が主に軌道自由度によって駆動されていることを示唆している。
• 強い電子相関が存在するにもかかわらず、FeSeのスピン励起は最も適切に拡散フレームワークで記述できる。これは、その電子的挙動を従来の解釈とは挑戦するものである。