[논문 리뷰] Nematic spin fluid in the tetragonal phase of BaFe2As2

Leland Harriger, Huiqian Luo외 6명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 16.

Iron-based superconductors research인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 비탄성 중성자 산란을 통해 테트라곤럴 상의 BaFe2As2에서 반자성 전이 온도(TN) 이상에서도 스핀 이방성 특성을 띠는 비정상 스핀 유체가 존재함을 입증한다. 파라자성 상에서 부르흐린 영역 경계 근처에서 스핀 이방성 진동이 지속되는 것은 전자 이방성에 의해 유도되는 스핀 네마틱 순서가 구조 전이 및 자성 전이 이전에 존재하고, 그 전이를 유도할 가능성이 있음을 시사하며, 이는 철계 초전도체에서 전자 이방성의 역할을 이해하는 데 핵심적인 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Magnetic interactions are generally believed to play a key role in mediating electron pairing for superconductivity in iron arsenides; yet their character is only partially understood. Experimentally, the antiferromagnetic (AF) transition is always preceded by or coincident with a tetragonal to orthorhombic structural distortion. Although it has been suggested that this lattice distortion is driven by an electronic nematic phase, where a spontaneously generated electronic liquid crystal state breaks the C4 rotational symmetry of the paramagnetic state, experimental evidence for electronic anisotropy has been either in the low-temperature orthorhombic phase or the tetragonal phase under uniaxial pressure that breaks this symmetry. Here we use inelastic neutron scattering to demonstrate the presence of a large in-plane spin anisotropy above TN in the unstressed tetragonal phase of BaFe2As2. In the low-temperature orthorhombic phase, we find highly anisotropic spin waves with a large damping along the AF a-axis direction. On warming the system to the paramagnetic tetragonal phase, the low-energy spin waves evolve into quasi-elastic excitations, while the anisotropic spin excitations near the zone boundary persist. These results strongly suggest that the spin nematicity we find in the tetragonal phase of BaFe2As2 is the source of the electronic and orbital anisotropy observed above TN by other probes, and has profound consequences for the physics of these materials.

연구 동기 및 목표

• 장거리 자성 질서가 존재하지 않는 파라자성 테트라곤럴 상에서 스핀 이방성의 존재를 조사하기 위해.
• C4 회전 대칭을 위반하는 전자 이방성이 스핀 자유도에 나타나는지, 반자성 전이 이전에 확인하기 위해.
• 테트라곤럴에서 오р토로브릭 대칭으로의 구조 전이를 매개하는 스핀 네마틱성의 역할을 명확히 하기 위해.
• 테트라곤럴 상에서 관측된 전자 및 궤도 이방성과 스핀 이방성 간의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 단결정 BaFe2As2에서 스핀 진동 스펙트럼을 탐사하기 위해 비탄성 중성자 산란(INS)을 사용하였다.
• 파라자성 상태와 반자성 상태에서의 스핀 동역학을 비교하기 위해 Néel 온도(TN) 이하 및 이상의 온도에서 측정를 수행하였다.
• 스핀 파동 분산 및 스펙트럼 무게를 분석하여 스핀 진동 강도 및 에너지 의존성의 이방성을 탐지하였다.
• 이상적인 스핀 네마틱 순서 및 스핀 파동 이론 모델과 데이터를 비교하여 이방성 진동의 성격을 평가하였다.
• 특히 부르흐린 영역 경계 근처에서 스핀 진동의 운동량 의존성을 상세히 분석하였다.
• 보조적인 중성자 산란 데이터를 활용하여 파라자성 상에서 지속되는 이방성의 존재를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 자성 질서가 없는 상태에서도 BaFe2As2의 파라자성 테트라곤럴 상에서 스핀 이방성이 TN 이상에서도 지속되는가?
• RQ2 관측된 평면 내 스핀 이방성의 기원은 무엇이며, 전자 이방성과 관련이 있는가?
• RQ3 저온의 오르토로브릭 상에서 스핀 진동은 어떻게 고온의 파라자성 테트라곤럴 상으로 변화하는가?
• RQ4 부르흐린 영역 경계 근처에서의 이방성 스핀 진동이 파라자성 상태에서도 얼마나 오래 지속되는가? 이는 스핀 네마틱 유체 상태를 시사하는가?
• RQ5 관측된 스핀 이방성이 회전 대칭을 위반하는 스핀 네마틱 상태와 일치하는가?

주요 결과

• TN 이상의 파라자성 테트라곤럴 상에서 큰 평면 내 스핀 이방성이 관측되어 스핀 네마틱 순서의 존재를 시사한다.
• 저온의 오르토로브릭 상에서 스핀 파동은 AF a축 방향으로 강한 감쇠를 보이며, 이는 이방성 스핀 동역학을 나타낸다.
• 테트라곤럴 상으로의 가열 과정에서 저에너지 스핀 파동은 준탄성 진동으로 진화하지만, 부르흐린 영역 경계 근처의 이방성 스핀 진동은 지속된다.
• 파라자성 상에서의 이방성 스핀 진동 지속은 TN 이상에서도 스핀 네마틱 유체 상태가 존재함을 강력히 시사한다.
• 결과는 테트라곤럴 상에서의 스핀 네마틱성이 다른 측정법(예: 저항도 및 광학 측정)으로 관측된 전자 및 궤도 이방성의 근본 원인임을 시사한다.
• 이러한 발견은 스핀 네마틱 순서가 구조 전이를 유도하는 데 핵심적인 역할을 하며, 철 arsenide의 초전도성 쌍성에 영향을 줄 수 있음을 암시한다.