[논문 리뷰] Phase separation in superconducting and antiferromagnetic Rb0.8Fe1.6Se2 probed by Mössbauer spectroscopy

Vadim Ksenofontov, G. Wortmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 15.

Iron-based superconductors research참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초전도체 Rb0.8Fe1.6Se2에서의 상분리를 조사하기 위해 57Fe-Mössbauer 분광법을 사용하여, √5×√5 초구조의 16i 위치에 88%의 자성 Fe2+와 12%의 비자성 Fe2+를 포함하는 나노스케일 상분리를 규명하였다. 결과는 c축 방향 외부 자기장에 의한 자화 정렬을 통해 반자성 질서를 확인하였으며, 철 chalcogenide에서 초전도성과 자성이 공존하는 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

57Fe-Mössbauer studies of superconducting Rb0.8Fe1.6Se2.0 with TC = 32.4 K were performed on single-crystalline and polycrystalline samples in the temperature range 4.2 K to 295 K. They reveal the presence of 88% magnetic and 12% non-magnetic Fe2+ species with the same polarization dependence of their hyperfine spectra. The magnetic species are attributed to the 16i sites of the \surd5 x \surd5 x 1 superstructure, and non-magnetic species to a nano-sized phase postulated from recent studies of superconducting KxFe2-ySe2 systems. The 57Fe-spectrum of a single-crystalline sample in an external field of 50 kOe applied parallel to the crystallographic c-axis confirms the antiferromagnetic order between fourfold ferromagnetic Fe(16i) supermoments. The results are discussed with respect to the coexistence of superconductivity and magnetism as well as nano-scale phase separation in AxFe2-ySe2 systems.

연구 동기 및 목표

• 초전도체 Rb0.8Fe1.6Se2에서의 철 이온의 전자적 및 자성 상태를 57Fe-Mössbauer 분광법을 사용하여 조사하기.
• 이 시스템에서 자성 및 비자성 철 이종의 기원과 그들의 구조적 할당을 규명하기.
• 철 기반 초전도체에서 나노스케일 상분리를 통해 초전도성과 반자성 질서가 공존하는 것을 명확히 하기.
• 단일 결정체에서 외부 자기장 측정을 통해 자성 구조와 스핀 정렬을 확인하기.

제안 방법

• 4.2–295 K 범위에서 단일 결정 및 다결정 Rb0.8Fe1.6Se2 시료에 대해 57Fe-Mössbauer 분광법을 실시하였다.
• 이소머 이동과 쿼드루플렛 분리도를 기반으로 자성 및 비자성 Fe2+ 이종을 구분하기 위해 초미세 스펙트럼을 분석하였다.
• 결정학적 c축 방향으로 50 kOe의 외부 자기장을 도입하여 자성 질서와 자화 모멘트 정렬을 탐사하였다.
• 대칭성과 스펙트럼 특징을 바탕으로 자성 Fe2+를 √5×√5×1 초구조의 16i 위치에 할당하였다.
• 비자성 Fe2+는 이전 KxFe2-ySe2 시스템 연구와 일치하는 나노스케일 상에서 기인한 것으로 확인하였다.
• 편광 의존성 스펙트럼 분석을 통해 자성 구조와 초자성 모멘트 정렬을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Rb0.8Fe1.6Se2에서 자성 및 비자성 Fe2+ 이종의 기원과 분포는 무엇인가?
• RQ2 16i 위치에 있는 Fe2+의 자성 구조는 관측된 반자성 질서와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 이 초전도체 철 chalcogenide에서 나노스케일 상분리를 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ4 c축 방향으로 외부 자기장을 도입할 경우 Mössbauer 스펙트럼은 어떻게 변화하며, 자성 질서의 존재를 어떻게 확인할 수 있는가?
• RQ5 관측된 자성 및 비자성 상들이 AxFe2-ySe2 시스템에서 초전도성과 어느 정도 공존하는가?

주요 결과

• 88%의 Fe2+ 이온은 자성이며, √5×√5×1 초구조의 16i 위치에 위치해 있으며 명확한 초미세 분리도를 보였다.
• 12%의 Fe2+ 이온은 비자성으로, 초구조의 철 이온 위치와는 다를 바 있는 나노스케일 상에서 기인한 것으로 추정되었다.
• 자성 초미세 스펙트럼은 16i 위치의 네 개의 피드포텐셜 자성 모멘트가 반자성 배열에서 반대 방향으로 정렬된 4중 대칭성과 일치하는 편광 의존성을 보였다.
• c축 방향으로 50 kOe의 자기장을 도입함으로써 Fe(16i) 서브격자에서 장거리 반자성 질서의 존재가 확인되었다.
• 결과는 Rb0.8Fe1.6Se2에서 초전도성과 반자성 상이 나노스케일 상분리를 통해 공존하는 모델을 지지한다.
• 초전도 전-transition 온도 Tc = 32.4 K와 함께 관측된 자성과 비자성 상의 공간적 분리가 초전도성과 자성의 공존을 설명한다.