[논문 리뷰] Coexistence of antiferromagnetic and ferromagnetic spin correlations in SrCo2As2 revealed by 59Co and 75As NMR

P. Wiecki, В. В. Оглобличев외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 02.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 59Co 및 75As NMR를 사용하여, 파라자성인 SrCo2As2에서 강한 반강자성(FM) 스핀 변동이 스트라이프형 반강자성(AFM) 변동과 공존하고 있음을 밝혀냈다. 이는 수정된 Korringa 분석 및 DFT 계산을 통해 확인되었다. 주로 FM 변동이 초전도를 억제하고 있음에도 불구하고, 강한 AFM 스핀 상관관계가 존재하는 바, 이는 철계 반도체에서 초전도를 이끄는 것은 AFM 변동 뿐이라는 기존의 관점에 도전한다.

ABSTRACT

In nonsuperconducting, metallic paramagnetic SrCo2As2, inelastic neutron scattering measurements have revealed strong stripe-type $χ$(q) = ($π$,0) antiferromagnetic (AFM) spin correlations. Here, using nuclear magnetic resonance (NMR) measurements on 59Co and 75As nuclei, we demonstrate that stronger ferromagnetic (FM) spin correlations coexist in SrCo2As2. Our NMR data are consistent with density functional theory (DFT) calculations which show enhancements at both q = ($π$,0) and the in-plane FM q = 0 wavevectors in static magnetic susceptibility $χ$(q). We suggest that the strong FM fluctuations prevent superconductivity in SrCo2As2, despite the presence of stripe-type AFM fluctuations. Furthermore, since DFT calculations have consistently revealed similar enhancements of the $χ$(q) at both q = ($π$,0) and q = 0 in the iron-based superconductors and parent compounds, our observation of FM correlations in SrCo2As2 calls for detailed studies of FM correlations in the iron-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 비초전도성인 SrCo2As2에서의 저에너지 스핀 변동의 성격을 조사하기 위해, 122계열의 전자 도핑 종단 성분인 비초전도성 SrCo2As2를 대상으로 한다.
• 이전에 관찰된 스트라이프형 반강자성(AFM) 변동과 함께 반강자성(FM) 스핀 변동이 공존하는지 확인하기 위해.
• 강한 AFM 스핀 상관관계가 존재하는 바도 초전도가 발생하지 않는 이유를 분석하기 위해, FM 변동이 초전도를 억제하는 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 국소 탐침 NMR 기법을 사용하여 철기반 초전도체에서 FM 스핀 변동에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 상관관계 있는 스피너-이클라스 펄스 스펙트로미터를 사용하여 59Co 및 75As 핵에서 핵자기공명(NMR) 측정을 수행하였다.
• 국소 스핀 동역학을 탐색하기 위해 단일 π/2 포화 펄스 복구 방법을 사용하여 스핀-격자 리아소케이션 속도(1/T1)를 측정하였다.
• 수정된 Korringa 관계를 적용하여 FM 및 AFM 특성을 구분하는 데 사용되는 Korringa 매개수 α를 추출하였다.
• 이론적 예측인 정적 자화율 χ(q)와 실험적 NMR 데이터를 비교하기 위해 DFT 계산을 사용하였다.
• 스핀 변동의 이방성 평가를 위해 H∥c 및 H∥ab 방향에서의 NMR 이동도를 측정하였다.
• SrCo2As2 및 BaCo2As2에서 Korringa 비율 및 α 값 분석을 통해 FM 변동 강도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 자화 질서가 없는 바에 불구하고, SrCo2As2에서 반강자성(FM) 스핀 변동이 스트라이프형 반강자성(AFM) 변동과 공존하는가?
• RQ2 NMR를 통해 드러난 바, SrCo2As2에서 FM과 AFM 스핀 변동의 상대적 강도와 에너지 스케일은 어떻게 되는가?
• RQ3 철계 반도체에서 일반적으로 초전도를 이끄는 것으로 알려진 강한 AFM 스핀 변동이 존재하는 바, 왜 SrCo2As2에서는 초전도가 발생하지 않는가?
• RQ4 DFT 계산에서 예측한 χ(q)와 NMR로 유도된 Korringa 매개수 α는 SrCo2As2에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 DFT 계산이 제시하는 바에 따르면, 반강자성(FM) 스핀 변동은 철기반 초전도체에서 일반적인 특성인가?

주요 결과

• 59Co 및 75As NMR 데이터는 SrCo2As2의 스핀 변동이 주로 반강자성 성격을 띠며, 두 방향에서 Korringa 매개수 α ≪ 1임을 보여준다.
• Korringa 비율 분석은 저에너지에서 FM 변동이 지배적임을 보여주며, 이는 q=0(FM) 및 q=(π,0)(AFM)에서 χ(q)의 증가를 보여주는 DFT 예측과 일치한다.
• 약한 반강자성 변동이 주된 FM 변동과 공존하며, χ(q)에서 q=(π,0) 파동수에서의 잔여 기여로 확인된다.
• DFT 계산은 FM 및 AFM 파동수 모두에서 χ(q)의 유사한 증가를 확인하지만, FM 변동은 더 낮은 에너지 스케일을 가지며 저에너지에서 지배적임을 보여준다.
• SrCo2As2의 초전도가 억제되는 것은 FM 변동과 AFM 변동 매개의 쌍결합 메커니즘 간의 경쟁 때문임을 기인한다.
• 결과적으로, FM 스핀 변동이 철기반 초전도체에서 Tc를 결정하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있으며, 이는 오직 AFM 변동만이 초전도를 이끈다는 가정에 도전한다.