[論文レビュー] Suppression of low-energy longitudinal spin-excitations in Co-underdoped BaFe2As2

F. Waßer, C.H. Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、コバルト欠損ドーピングされたBaFe2As2における磁気励起状態を偏光不弾性中性子散乱を用いて調査し、反強磁性秩序から生じる大きなスピンギャップによって低エネルギー縦スピンフラクチュエーションが強く抑制されていることが明らかになった。この抑制は超伝導ギャップの2倍以上に達しており、Tcの低下を説明するものであり、反強磁性と超伝導性が局所的に共存することを示唆している。超伝導状態では、横スピンチャンネルでのみ2つの異方的共鳴モードが観測される。

ABSTRACT

Polarized inelastic neutron scattering experiments were performed to study magnetic excitations in the normal and superconducting phases of Co-underdoped BaFe$_2$As$_2$, which exhibits coexistence of antiferromagnetic order and superconductivity. In the normal state the antiferromagnetic order results in broadened spin gaps opening in all three spin directions that are reminiscent of the magnetic response in pure antiferromagnetic BaFe$_2$As$_2$. In particular longitudinal excitations exhibit a large gap. In the superconducting state we find two distinct resonance excitations, which both are anisotropic in spin-space, and which both do not appear in the longitudinal polarization channel. This behavior contrasts to previous polarized neutron results on samples near optimum or higher doping. The gap in the longitudinal fluctuations arising from the antiferromagnetic order seems to be sufficiently larger than twice the superconducting gap to suppress any interplay with the superconducting state. This suppressed low-energy weight of longitudinal fluctuations can explain the reduced superconducting transition temperature in underdoped BaFe$_2$As$_2$ and indicates that the coexistence of antiferromagnetism and superconductivity occurs locally.

研究の動機と目的

• アンダードーピングされた鉄系超伝導体における反強磁性秩序と超伝導性の相関を理解すること。
• 超伝導性と反強磁性が微視的に共存しているか、それとも相分離しているかを特定すること。
• 超伝導状態における磁気共鳴のスピン空間的非対称性を調査すること。
• 縦スピンフラクチュエーションが超伝導転移温度を低下させる役割を明確にすること。
• アンダードーピングされたBa(Fe0.955Co0.045)2As2における磁気励起スペクトルを最適ドーピング系と比較すること。

提案手法

• Néel転移温度および超伝導転移温度より高い・低い温度で、コバルト欠損ドーピングされたBaFe2As2に対して偏光不弾性中性子散乱（INS）を実施した。
• 幾何的要因補正およびバックグラウンド除去を用いて、磁気動的感受率成分χ′′_long、χ′′_t-in、χ′′_t-outを抽出した。
• スペクトル強度およびエネルギー依存性をモデル化するため、各スピンチャンネルにログノーマル分布を適合させた。
• SFzおよびSFyチャンネルにおける散乱強度のl依存性を分析し、縦成分と横成分の相対的寄与を特定した。
• 縦フラクチュエーション抑制の度合を定量化するため、比p = χ′′_long / (χ′′_long + χ′′_t-out)を計算した。
• 1.5 Kでのスペクトルを同時にフィッティングすることで、異なるスピンチャンネルにおける共鳴エネルギーを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜコバルト欠損ドーピングされたBaFe2As2では、最適ドーピング系と比較して超伝導転移温度が低下しているのか？
• RQ2 超伝導状態においても縦スピンフラクチュエーションは活性を保っているのか？また、それらは超伝導ギャップとどのように結合しているのか？
• RQ3 超伝導状態で観測された2つの共鳴モードの非対称的性質は、何によって生じているのか？
• RQ4 大きな反強磁性スピンギャップが、超伝導状態における磁気応答にどのように影響しているのか？
• RQ5 アンダードーピングされたBaFe2As2において、反強磁性と超伝導性の共存は局所的であるか、それとも相分離しているのか？

主な発見

• 縦スピンチャンネルでは、常温状態で大きなスピンギャップが観測され、超伝導ギャップの2倍以上（2Δ ≈ 8 meV）に達しており、縦フラクチュエーションの強い抑制を示している。
• 超伝導状態では、8 meV未満の低エネルギー領域で縦フラクチュエーションが完全に抑制されており、SFzチャンネルに顕著な信号は観測されない。
• 超伝導状態では2つの明確な異方的共鳴モードが現れる：t-inチャンネルでは4.7 meV、t-outチャンネルでは5.9 meVのエネルギーに共鳴が観測された。
• 共鳴に縦成分がほとんど存在しないこと（p ≈ 0）は、最適ドーピング系では顕著な縦成分（p ≈ 0.28）が観測されるのと対照的である。
• 低エネルギー縦スピンフラクチュエーションの抑制は、アンダードーピングされたBaFe2As2におけるTcの低下を説明するものであり、これらのフラクチュエーションが交換エネルギーを低下させないためである。
• 結果は、反強磁性と超伝導性が微視的に共存していることを支持しており、磁気秩序と超伝導ペアリングが相分離を伴わずに局所的に共存していることを示している。