[논문 리뷰] Coexistence of ferromagnetism and superconductivity in CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$

Jooseop Lee, Satoshi Demura외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 12.

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 페로자성(자화 전이 온도 T_FM = 6.54 K)과 초전도성(초전도 전이 온도 T_SC ≈ 4.5 K)이 동시에 존재하는 CeO₀.₃F₀.₇BiS₂에서 T_FM 이하에서 1.8 meV의 이զ인 유사 스핀파 모드가 나타나는 것을 규명하였다. 비탄성 중성자산측정을 통해 외부 자기장에 의해 이 모드가 분리되는 현상이 관측되었으며, 이는 횡방향 스핀 불규칙성과 이방성 스핀 상호작용을 시사한다. 이는 상호작용이 약한 면간 결합을 의미하며, 일반적으로 상반되는 두 상이 동시에 존재할 수 없는 경우에 매우 드문 공존 현상을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Bulk magnetization, transport and neutron scattering measurements were performed to investigate the electronic and magnetic properties of a polycrystalline sample of the newly discovered ferromagnetic superconductor, CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$. Ferromagnetism develops below T$_{FM}$ = 6.54(8) K and superconductivity is found to coexist with the ferromagnetic state below T$_{SC}$ ~ 4.5 K. Inelastic neutron scattering measurements reveal a very weakly dispersive magnetic excitation at 1.8 meV that can be explained by an Ising-like spin Hamiltonian. Under application of an external magnetic field, the direction of the magnetic moment changes from the c-axis to the ab-plane and the 1.8 meV excitation splits into two modes. A possible mechanism for the unusual magnetism and its relation to superconductivity is discussed.

연구 동기 및 목표

• 최근 발견된 페로자성 초전도체인 다결정성 CeO₀.₃F₀.₇BiS₂의 자성 및 초전도성 특성을 조사하기 위해.
• 초전도성 존재 조건 하에서의 자성 질서와 스핀 진동의 성격을 규명하기 위해.
• 보통 상호 배제적인 두 상이 공존할 수 있는 메커니즘을 이해하기 위해.
• 결정 구조의 불순물과 국소적 자성 이방성이 외부 자기장 하에서 자성 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 다결정성 CeO₀.₃F₀.₇BiS₂ 시료에 대해 부피 자화도, 전기 전도도 및 중성자산측정 측정을 수행하였다.
• 중성자 회절을 통해 결정 및 자성 구조를 분석하였으며, 브라그 피크의 넓어짐으로 인해 결정성이 열악한 것으로 나타났다.
• 비탄성 중성자산측정을 통해 자성 진동 스펙트럼을 조사하고 스핀파 모드를 식별하였다.
• 외부 자기장을 적용하여 자기장 의존성 스핀 역학을 연구하고 모드 분리를 탐지하였다.
• 근처 이웃 및 제2근처 이웃 상호작용을 포함한 3D 이즈인 스핀 해밀토니안을 사용하여 스핀 진동을 모델링하였다.
• 결정 이방성, 전자구조 효과(Crystal Electric Field, CEF), 그리고 국소적 자성 불순이론(asperomagnetism)을 고려하여 분리 현상의 기원을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeO₀.₃F₀.₇BiS₂에서 흔히 상호 배제적인 성질을 지닌 페로자성과 초전도성이 어떻게 동시에 존재할 수 있는가?
• RQ2 1.8 meV에서 관측된 자성 진동의 성격은 무엇이며, 외부 자기장에 어떻게 반응하는가?
• RQ3 결정 구조의 불순물은 이 시스템의 자성 이방성과 스핀 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Ce 기반 페로자성 면과 BiS₂ 기반 초전도성 면 사이의 면간 결합이 쿠퍼 쌍 형성 또는 자성 억제를 매개할 정도로 강한가?
• RQ5 관측된 자기장에 의한 스핀파 분리는 이방성 스핀 상호작용 또는 국소적 자성 불순물에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• CeO₀.₃F₀.₇BiS₂에서 페로자성이 T_FM = 6.54(8) K 이하에서 발생하며, 자화 모멘트는 c축 방향으로 정렬된다.
• 초전도성이 T_SC ≈ 4.5 K 이하에서 나타나며, 자성 상태와 함께 존재하면서도 자성 질서를 손상시키지 않는다.
• 약한 분산성을 보이는 1.8 meV의 자성 진동이 관측되었으며, 이는 근처 이웃 및 제2근처 이웃 상호작용을 포함한 3D 이즈인 스핀 해밀토니안으로 잘 기술된다.
• 외부 자기장을 적용하면 스핀포절 전이가 발생하여 자화 모멘트가 c축에서 ab 평면으로 재정렬된다.
• 외부 자기장 하에서 1.8 meV 모드는 두 개의 별개의 진동으로 분리되며, 한 모드는 에너지가 증가하고 다른 한 모드는 거의 변화가 없다.
• 이상적인 자기장 반응은 국소적 원자 변형과 강한 무작위 이방성으로 인한 asperomagnetism에 기인하며, 핵 브라그 피크의 넓어짐으로 인한 격자 불순이와 일치한다.