[논문 리뷰] Effect of nematic order on the low-energy spin fluctuations in detwinned BaFe$_{1.935}$Ni$_{0.065}$As$_2$

Wenliang Zhang, J. T. Park외 9명|iMPULSE (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum)|2016. 07. 22.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이질성 중성자 산란을 통해 비틀림이 제거된 BaFe1.935Ni0.065As2에 축방향 압력을 가하여 저에너지 스핀 변동에서 무질서의 역할을 조사한다. 구조 전이 온도 Ts 이하에서 (0, π)에서 스핀-스핀 상관 길이가 감소하는 것으로 나타나, 철계 초전도체에서 스핀 무질서가 전자 무질서를 이끄는 직접적인 실험적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The origin of nematic order remains one of the major debates in iron-based superconductors. In theories based on spin nematicity, one major prediction is that the spin-spin correlation length at (0,$π$) should decrease with decreasing temperature below the structural transition temperature $T_s$. Here we report inelastic neutron scattering studies on the low-energy spin fluctuations in BaFe$_{1.935}$Ni$_{0.065}$As$_2$ under uniaxial pressure. Both intensity and spin-spin correlation start to show anisotropic behavior at high temperature, while the reduction of the spin-spin correlation length at (0,$π$) happens just below $T_s$, suggesting strong effect of nematic order on low-energy spin fluctuations. Our results favor the idea that treats the spin degree of freedom as the driving force of the electronic nematic order.

연구 동기 및 목표

• 철계 초전도체에서 전자 무질서의 기원을 규명하기 위해 스핀 또는 궤도 자유도에 의해 이끌리는지 여부를 확인한다.
• 이중 도메인의 영향을 피한 깔끔한 비틀림 제거된 샘플을 사용하여 저에너지 스핀 변동에 무질서가 미치는 영향을 조사한다.
• 무질서 상에서 (π,0) 및 (0,π)에서의 이방성 스핀-스핀 상관 길이에 대한 스핀 무질서 이론의 예측을 테스트한다.
• 무질서 순서 매개변수와 스핀 진동 강도 및 반폭의 이방성 사이의 정량적 연관성을 확립한다.

제안 방법

• 이중 도메인 영향을 제거하기 위해 축방향 압력을 가한 BaFe1.935Ni0.065As2의 비틀림 제거된 단일 결정에서 비탄성 중성자 산란(INS)을 수행한다.
• Ts 이상 및 이하의 온도 범위에서 波수 (π,0) 및 (0,π)에서 스핀 진동 강도와 반폭(FWHM)을 측정한다.
• 무질서 순서 매개변수 φ를 탐색하기 위해 역강도의 차이(ΔS⁻¹)와 제곱된 FWHM(ΔFWHM²)를 사용하며, φ ∝ M₁² − M₂² 라는 가정을 한다.
• 무질서 순서 매개변수의 온도 의존성을 맞추기 위해 Landau 자유 에너지 모델 F = aφ² + bφ⁴ + hφ를 적용하며, h는 축방향 응력으로 외부 필드로 간주한다.
• 원시 INS 데이터를 보즈 인자 보정하고 운동량 공간에 걸쳐 적분하여 상관 길이 분석을 위한 χ(101) 및 χ(011)를 추출한다.
• 관측된 스핀 변동의 이방성과 스핀 무질서 모델(Fernandes 등, 2011, 2012)의 이론 예측을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaFe1.935Ni0.065As2의 무질서가 스핀 무질서 이론이 예측한 것처럼 (π,0) 및 (0,π)에서 이방성 스핀 변동을 유도하는가?
• RQ2 (0,π)에서 스핀-스핀 상관 길이가 감소하기 시작하는 온도는 얼마이며, 이는 구조 전이 온도 Ts와 일치하는가?
• RQ3 관측된 스핀 진동 강도 및 반폭의 이방성이 스핀 유도 무질서 순서 매개변수와 일치하는가?
• RQ4 (π,0) 및 (0,π) 사이의 역강도 및 FWHM의 차이로부터 무질서 순서 매개변수를 정량적으로 추출할 수 있는가?
• RQ5 축방향 응력 하에서 무질서 순서 매개변수의 온도 의존성이 Landau 상전이 이론을 따르는가?

주요 결과

• (0,π)에서 스핀-스핀 상관 길이가 Ts ≈ 80 K 이하에서 급격히 감소하며, 이는 스핀 무질서 이론의 예측와 일치한다.
• (π,0) 및 (0,π) 사이의 스핀 진동 강도 및 반폭의 이방성이 Ts 이상에서도 이미 나타나, 무질서 스핀 변동의 조기 발생을 시사한다.
• 역강도의 차이(ΔS⁻¹)와 제곱된 FWHM(ΔFWHM²) 사이에 선형 관계가 존재하여, 무질서 순서와 스핀 진동 이방성 간의 이론적 연관성이 뒷받침된다.
• 무질서 순서 매개변수 χ_nem은 χ(101) − χ(011)로 정의되며, Ts 이상에서도 비제로 값을 가지며, 축방향 압력에 의해 무질서 변동이 안정화됨을 나타낸다.
• 축방향 응력이 외부 필드(h)로 포함된 Landau 자유 에너지 모델은 무질서 순서 매개변수의 온도 의존성을 성공적으로 기술한다.
• Ts 이하에서 (0,π)에서 스핀 변동이 억제되고 (π,0)에서 증가하는 것으로 관측된 현상은 전자 무질서의 스핀 무질서 기원에 대한 강력한 실험적 근거를 제공한다.