[論文レビュー] Effect of nematic order on the low-energy spin fluctuations in detwinned BaFe$_{1.935}$Ni$_{0.065}$As$_2$

Wenliang Zhang, J. T. Park+9 more|iMPULSE (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum)|Jul 22, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、歪みのない BaFe1.935Ni0.065As2 に一軸圧力を加え、非弾性中性子散乱を用いて、低エネルギースピン揺らぎにおける電子的ネーマチック秩序の役割を調査した。構造転移温度 Ts よりわずかに低い温度で (0, π) におけるスピンスピン相関長が減少することを発見し、鉄系超伝導体におけるスピンネーマチック性が電子的ネーマチック秩序を駆動していることを直接的な実験的証拠で示した。

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.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における電子的ネーマチック秩序の起源を特定すること、特にそれがスピン自由度か軌道自由度かによって駆動されているかを明らかにすること。
• 歪みのない、 twins ドメインの影響を受けていないクリーンなサンプルを用いて、ネーマチック秩序が低エネルギースピン揺らぎに与える影響を調査すること。
• スピンネーマチック理論が (π,0) および (0,π) におけるスピンスピン相関長の異方性を予測する内容を検証すること。
• ネーマチック秩序パラメータとスピン励起強度および線幅の異方性との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 歪みのない単結晶 BaFe1.935Ni0.065As2 に一軸圧力を加え、twins ドメインの影響を排除した非弾性中性子散乱 (INS) を実施した。
• Ts の上下的な温度範囲で、波数ベクトル (π,0) および (0,π) におけるスピン励起強度および線幅 (FWHM) を測定した。
• ネーマチック秩序パラメータ φ をプローブするため、逆強度の差 (ΔS⁻¹) および FWHM の二乗の差 (ΔFWHM²) を用い、φ ∝ M₁² − M₂² と仮定した。
• 外部場として一軸応力を表す h を含むランダウ自由エネルギー模型 F = aφ² + bφ⁴ + hφ を用い、ネーマチック秩序パラメータの温度依存性をフィッティングした。
• 原始的な INS データをボーズ因子補正し、運動量空間にわたって統合することで、相関長解析のための χ(101) および χ(011) を抽出した。
• 観測されたスピン揺らぎの異方性を、スピンネーマチックモデル（Fernandes ら、2011, 2012）の理論予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFe1.935Ni0.065As2 のネーマチック秩序が、スピンネーマチック理論が予測するように (π,0) および (0,π) におけるスピン揺らぎの異方性を引き起こすか？
• RQ2 (0,π) におけるスピンスピン相関長が低下し始める温度は何か？ これは構造転移温度 Ts と一致するか？
• RQ3 観測されたスピン励起強度および線幅の異方性は、スピン駆動ネーマチック秩序パラメータと整合的か？
• RQ4 (π,0) および (0,π) 間の逆強度および FWHM の差から、ネーマチック秩序パラメータを定量的に抽出できるか？
• RQ5 一軸圧力を加えた条件下で、ネーマチック秩序パラメータの温度依存性は、ランダウの相転移理論に従うか？

主な発見

• (0,π) におけるスピンスピン相関長が、Ts ≈ 80 K の構造転移温度よりわずかに低い温度で急激に減少し、スピンネーマチック理論の予測と一致した。
• (π,0) および (0,π) 間のスピン励起強度および線幅の異方性が、Ts よりもはるかに高い温度で出現し、ネーマチックスピン揺らぎの早期発現を示した。
• 逆強度の差 (ΔS⁻¹) と FWHM の二乗の差 (ΔFWHM²) の間に線形関係が認められ、理論的予測であるネーマチック秩序とスピン励起異方性の関連性を支持した。
• ネーマチック秩序パラメータ χ_nem を χ(101) − χ(011) として定義したところ、Ts よりも高い温度で非ゼロの値を示し、一軸圧力がネーマチック揺らぎの安定化に寄与していることを示した。
• 一軸応力を外部場 h として含むランダウ自由エネルギー模型は、ネーマチック秩序パラメータの温度依存性をうまく記述できた。
• Ts より下で (0,π) におけるスピン揺らぎの抑制と (π,0) における増幅が観測され、電子的ネーマチック秩序のスピンネーマチック起源を強く支持する実験的証拠が得られた。