[论文解读] Longitudinal spin excitations and magnetic anisotropy in antiferromagnetically ordered BaFe2As2

Chong Wang, Rui Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

Iron-based superconductors research被引用 11

一句话总结

本研究利用自旋极化的非弹性中子散射，探测了反铁磁母体化合物 BaFe2As2 中的纵向自旋激发（LSE），揭示了巡游电子对磁性的贡献占比达10%。LSE 的检测与局域磁矩图像不相容，直接证明了即使在未掺杂的母体化合物中，巡游电子在铁基超导体磁性中也起着关键作用。

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.

研究动机与目标

• 确定铁基超导体中反铁磁序的微观起源，特别是其是否源于局域磁矩或巡游电子。
• 解决长期存在的争议：BaFe2As2 中的磁性是由局域磁矩还是费米面嵌套与巡游载流子驱动的。
• 实验探测纵向自旋激发（LSE），其为巡游电子对磁性贡献的特征信号。
• 通过高精度自旋极化测量，量化反铁磁态中横向与纵向自旋激发的相对贡献。

提出的方法

• 在法国劳厄-郎之万研究所的 IN22 三轴谱仪上，对高质量 BaFe2As2 单晶进行了自旋极化的非弹性中子散射（INS）实验。
• 使用 Heusler 晶体作为自旋极化单色器和分析器，沿 a、b 和 c 晶轴选择性测量自旋翻转与非自旋翻转散射分量。
• 沿 c 轴（M_c）、垂直于磁有序方向的 ab 平面（M_b）以及平行于自旋交错磁矩方向（M_a）测量磁响应，从而实现横向与纵向分量的分离。
• 利用包含磁各向异性和层间耦合的线性自旋波理论拟合观测到的自旋波色散关系，以描述横向激发（M_b 和 M_c）。
• 将 M_a 的谱权重与能量色散与巡游反铁磁体中振幅模的理论模型进行比较，以评估其起源。
• 利用在 AF 布里渊区中心与边界（Q_AF）处的能量与动量分辨数据，分析自旋激发在整个布里渊区中的演化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 BaFe2As2 的反铁磁有序态中是否存在纵向自旋激发（LSE），表明巡游电子有贡献？
• RQ2 所观测到的自旋激发能否用局域磁矩模型描述，还是需要巡游电子的描述？
• RQ3 与横向自旋波相比，纵向分量的相对谱权重和能量尺度如何？
• RQ4 母体化合物中 LSE 的存在如何与电子掺杂变体中超导性的出现相关联？
• RQ5 自旋激发谱中的磁各向异性是源于单离子各向异性还是交换各向异性？其对 LSE 有何影响？

主要发现

• 识别出三种不同的自旋激发分量：两种横向分量（M_b 和 M_c）和一种纵向分量（M_a），其中 M_a 沿磁有序矩方向（a 轴）振荡。
• 横向分量（M_b 和 M_c）可由包含磁各向异性和层间耦合的线性自旋波理论定量描述，与局域磁矩图像一致。
• 纵向分量 M_a 贡献了约 10% 的低能谱权重，且与局域磁矩模型不相容，表明巡游电子有显著贡献。
• M_a 在 AF 布里渊区中心的能量与反铁磁序开始时的瞬态光学响应频率一致，支持其作为巡游反铁磁体中振幅模的身份。
• M_a 强度在最高测量能量范围内未见减弱，支持其被归因为纵向激发连续谱的底部，这与振幅模的预期行为一致。
• 横向自旋波被良好描述与一个显著的纵向激发共存，表明存在一种混合磁性，其中局域磁矩与巡游载流子均起作用，而后者在母体化合物磁性中起关键作用。