[논문 리뷰] Magnetic Order versus superconductivity in the Iron-based layered La(O1-xFx)FeAs systems

Clarina dela Cruz, Qing Huang외 9명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 04.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중성자 산란을 통해 모체 화합물 LaOFeAs가 약 134 K에서 단세포 대칭으로의 구조 전이를 겪고, 장거리 스핀 밀도 파동(SDW) 반자성 순서를 발현함을 입증한다. 이때 철 이온의 자화모멘트는 0.36(5) μB로 매우 작다. 플루오르인 도핑은 자성 전이와 구조 전이를 억제하며, 철 기반 초전도체에서 초전도성이 자성 순서를 가진 모체 상태에서 유래됨을 입증한다. 이는 고임계 전도체 구리 산화물과 유사하다.

ABSTRACT

In high-transition temperature (high-Tc) copper oxides, it is generally believed that antiferromagnetism plays a fundamental role in the superconducting mechanism because superconductivity occurs when mobile electrons or holes are doped into the antiferromagnetic parent compounds. The recent discovery of superconductivity in the rare-earth (R) iron-based oxide systems [RO1-xFxFeAs] has generated enormous interest because these materials are the first noncopper oxide superconductors with Tc exceeding 50 K. The parent (nonsuperconducting) LaOFeAs material is metallic but shows anomalies near 150 K in both resistivity and dc magnetic susceptibility. While optical conductivity and theoretical calculations suggest that LaOFeAs exhibits a spin-density-wave (SDW) instability that is suppressed with doping electrons to form superconductivity, there has been no direct evidence of the SDW order. Here we use neutron scattering to demonstrate that LaOFeAs undergoes an abrupt structural distortion below ~150 K, changing the symmetry from tetragonal (space group P4/nmm) to monoclinic (space group P112/n) at low temperatures, and then followed with the development of long range SDW-type antiferromagnetic order at ~134 K with a small moment but simple magnetic structure. Doping the system with flourine suppresses both the magnetic order and structural distortion in favor of superconductivity. Therefore, much like high-Tc copper oxides, the superconducting regime in these Fe-based materials occurs in close proximity to a long-range ordered antiferromagnetic ground state. Since the discovery of long

연구 동기 및 목표

• 비초전도 모체 화합물 LaOFeAs의 진정한 고에너지 상태를 규명하는 것.
• LaOFeAs에서 관측된 150 K에서의 저항도 및 자화도 비정상성이 자성 또는 구조 질서와 관련이 있는지 조사하는 것.
• 플루오르인 도핑이 자성 및 구조 전이를 어떻게 억제하여 초전도성을 유도하는지 연구하는 것.
• 철 기반 초전도체에서 반자성, 구조적 비대칭, 초전도성 간의 관계를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 다양한 온도에서 다결정 LaOFeAs 및 La(O1-xFx)FeAs (x = 0.08)에 대해 중성자 분말 회절을 수행하였다.
• NIST의 BT-1 및 BT-7 회절계와 ORNL의 HB-1A 분광계를 사용하여 구조적 및 자성 전이를 측정하였다.
• 구조 전이 감지를 위해 (2,2,0) 핵 회절 피크의 온도 의존성을 측정하였다.
• 삼중축 분광계를 이용한 자성 구조 보정을 통해 자성 브라그 피크를 식별하고 순서된 자화모멘트를 결정하였다.
• 핵 산란에 대한 자화 강도를 정규화하여 철 이온의 자화모멘트를 정량화하였다.
• 자성 및 구조 질서 매개변수의 온도 변화를 비교하여 전이의 순서를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaOFeAs에서 관측된 150 K의 저항도 및 자화도 비정상성은 구조 전이인지 자성 전이인지에 기인하는가?
• RQ2 모체 화합물 LaOFeAs는 장거리 반자성 질서를 나타내며, 만약 그렇다면 그 자성 구조는 어떠한가?
• RQ3 플루오르인 도핑이 자성 및 구조 전이를 어떻게 억제하여 초전도성을 유도하는가?
• RQ4 LaOFeAs에서 구조적 비대칭과 자성 정렬 사이의 사건 순서는 어떠한가?
• RQ5 LaOFeAs의 자성 기저 상태는 스핀 밀도 파동(SDW) 불안정성에 대한 이론 예측과 일치하는가?

주요 결과

• LaOFeAs는 (2,2,0) 핵 피크의 분열에 의해 입증되듯이 약 155 K에서 테트라곤형(P4/nmm)에서 단세포형(P112/n) 대칭으로의 구조 전이를 겪는다.
• 장거리 반자성 질서가 스트립형 구조로 134 K에서 형성되며, 8 K에서 철 이온의 자화모멘트는 0.36(5) μB이다.
• 자성 전이가 구조 전이 이후 발생함을 확인하여, 격자 비대칭이 자성 정렬 이전에 일어남을 시사한다.
• 초전도체 La(O0.92F0.08)FeAs에서 (1,0,3) 자성 브라그 피크가 관측되지 않아, F-도핑에 의한 반자성 억제가 확인된다.
• 구조 전이 및 자성 전이가 초전도 상에서 억제됨을 확인하여, 초전도성이 자성 질서를 가진 모체 상태에서 유래됨을 시사한다.
• 관측된 자성 구조는 이론적 예측의 SDW 상태와 일치하지만, 측정된 자화모멘트(0.36(5) μB)는 예측된 약 2.3 μB보다 현저히 작다.