[논문 리뷰] Longitudinal spin excitations and magnetic anisotropy in antiferromagnetically ordered BaFe2As2

Chong Wang, Rui Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 29.

Iron-based superconductors research인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 반자성 부모 화합물 BaFe2As2에서 종단 스핀 진동을 식별하기 위해 스핀 균형을 가진 비탄성 중성자 산란을 사용하여, 이동 전자들이 자성에 10% 기여하고 있음을 밝혀냈다. 국소 모멘트 모형과 호환되지 않는 종단 스핀 진동(LSE)의 검출은 이동 전자들이 도핑되지 않은 부모 화합물에서도 철기반 초전도체의 자성에 핵심적인 역할을 한다는 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We report on a spin-polarized inelastic neutron scattering study of spin waves in the antiferromagnetically ordered state of BaFe2As2. Three distinct excitation components are identified, with spins fluctuating along the c-axis, perpendicular to the ordering direction in the ab-plane, and parallel to the ordering direction. While the first two "transverse" components can be described by a linear spin-wave theory with magnetic anisotropy and inter-layer coupling, the third "longitudinal" component is generically incompatible with the local moment picture. It points towards a contribution of itinerant electrons to the magnetism already in the parent compound of this family of Fe-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체에서 반자성 질서의 미세한 기원을 규명하기 위해, 이가 국소 모멘트에서 기인하는지 아니면 이동 전자에서 기인하는지 파악하는 것.
• BaFe2As2에서 자성이 국소 모멘트인지, 피에르 피면의 낮은 에너지 상태와 이동 전자에 의해 유도되는지에 대한 오랫동안 지속된 논쟁을 해결하는 것.
• 이동 전자 기여의 징후인 종단 스핀 진동(LSE)을 실험적으로 검출하는 것.
• 고정밀 스핀 균형 측정을 통해 반자성 상태에서 횡방향 및 종방향 스핀 진동의 상대 기여를 정량화하는 것.

제안 방법

• 프랑스 인스티튜 라우-랑제브의 IN22 삼중축 분광계에서 고품질 BaFe2As2 단일 결정에서 스핀 균형 비탄성 중성자 산란(INS)을 수행하였다.
• 헤우슬러 결정을 스핀 균형 분광계 및 분석기로 사용하여 a, b, c 결정축을 따라 스핀 전환 및 비스핀 전환 산란 성분을 선택적으로 측정하였다.
• 정렬 방향에 수직인 ab 평면에서의 자기 반응(M_b), 정렬 방향과 평행한 a축 방향의 자기 반응(M_a), 그리고 c축을 따라 측정된 자기 반응(M_c)을 측정함으로써 횡방향 및 종방향 성분을 분리하였다.
• 횡방향 진동(M_b 및 M_c)을 기술하기 위해 자기 이방성 및 상하층 간 결합을 고려한 선형 스핀파 이론을 사용하여 관측된 스핀파 분산을 피팅하였다.
• M_a의 스펙트럼 강도 및 에너지 분산을 이동 전자 반자성체에서의 진폭 모드 이론 모델과 비교하여 그 기원을 평가하였다.
• 브릴루앙 영역의 중심 및 경계부(질량 중심 Q_AF)에서 에너지 및 동역학적 모멘텀 해상도를 가진 데이터를 사용하여 브릴루앙 영역 전반에 걸친 스핀 진동의 진화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaFe2As2의 반자성 질서 상태에서 종단 스핀 진동(LSE)이 존재하는가? 이는 이동 전자 기여의 징후이다.
• RQ2 관측된 스핀 진동은 국소 모멘트 모형으로 설명될 수 있는가, 아니면 이동 전자 기반 기술이 필요한가?
• RQ3 횡방향 스핀파에 비해 종방향 성분의 상대 스펙트럼 강도 및 에너지 척도는 어떻게 되는가?
• RQ4 부모 화합물에서 LSE의 존재는 전자 도핑된 변형에서 초전도성의 발생과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 스핀 진동 스펙트럼의 자기 이방성은 단일 이온 또는 교환 이방성에 기인하는가, 그리고 이는 LSE에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 가지 별개의 스핀 진동 성분이 식별되었으며, 이는 횡방향 성분(M_b 및 M_c) 두 개와 종방향 성분(M_a)으로 구성되며, M_a는 정렬 모멘트 방향인 a축을 沿해 진동한다.
• 횡방향 성분(M_b 및 M_c)은 자기 이방성 및 상하층 간 결합을 포함한 선형 스핀파 이론으로 정량적으로 기술되며, 국소 모멘트 모형과 일치한다.
• 종방향 성분 M_a는 저에너지 스펙트럼 강도의 약 10%를 차지하며, 국소 모멘트 모형과 호환되지 않아 이동 전자의 기여가 상당히 크다는 것을 시사한다.
• AF 브릴루앙 영역 중심에서 M_a의 에너지는 반자성 질서 형성의 시작 부근에서의 일시적 옵티컬 응답 주파수와 일치하며, 이는 이동 전자 반자성체에서의 진폭 모드로의 식별을 지지한다.
• 가장 높은 측정 에너지까지 M_a 강도가 감소하지 않는 것은, 예상되는 진폭 모드에 해당하는 종방향 진동의 연속체의 바닥에 위치해 있음을 뒷받침한다.
• 명확하게 기술된 횡방향 스핀파와 별개의 종방향 진동의 공존은 국소 모멘트와 이동 전자 양자가 기여하는 하이브리드 자성 구조를 시사하며, 후자의 기여가 부모 화합물의 자성에서 핵심적인 역할을 한다.