[論文レビュー] Measurement and analysis of the Hall effect of A-Fe$_2$As$_2$ single crystals with A = Ba, Ca or Sr

C. L. Zentile, J. Gillett+2 more|ArXiv.org|Nov 6, 2009

Magnetic Properties of Alloys参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）の単結晶においてホール係数 $R_H(T)$ を測定し、スピン密度波（SDW）ギャップを調べ、量子振動データとの整合性を検証した。$R_H(T)$ とホール移動度を用いて、Sr-122 では $\Delta_{SDW}(0) = 710 \pm 70$ K、Ba-122 では $435 \pm 20$ K を推定した。これはBCS予測を著しく上回っており、高場量子振動および光学反射率データと強い一致を示した。

ABSTRACT

We report measurements of the Hall coefficient $R_H$ for single crystals of AFe$_2$As$_2$ with $A = Ba, Ca$ or $Sr$ which are the anti-ferromagnetic parent compounds of some high temperature pnictide superconductors. We show that $R_H$ of Sr-122 is consistent with high field quantum oscillation data. Our $R_H(T)$ data can also be used to estimate values of the spin density wave gap, giving $Δ_{SDW}(0) = 710\pm 70$ K for Sr-122 and $435\pm 20$ K for Ba-122.

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶 A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）におけるホール係数 $R_H(T)$ の測定を通じて、スピン密度波（SDW）転移付近の電子構造を調べること。
• 有効質量およびキャリア密度に基づくモデルを用いて、$R_H(T)$ とホール移動度データからゼロ温度におけるSDWギャップ $\Delta_{SDW}(0)$ を推定すること。
• 低場ホール効果測定と高場量子振動（QO）データとの整合性、特にSr-122について検証すること。
• 推定された $\Delta_{SDW}(0)$ の値を光学反射率データおよびBCS理論の予測と比較すること。
• 電子・ホールポケットのバランスおよび散乱メカニズムが $R_H(T)$ および $1/\mu_H(T)$ の挙動に与える影響を評価すること。

提案手法

• Snフラックス法（Ca, Sr）および自己フラックス法（Ba）で成長させた単結晶を用い、磁場を $c$-軸方向に印けて、van der Pauw四端子法により $R_H(T)$ を測定した。
• ホール移動度 $\mu_H(T)$ 及びその逆数を用い、$T^2$ および $T^3$ 項の寄与を抽出した。$1/\mu_H(T) = \alpha + \beta T^2$ または $\alpha + \beta T^3$ のフィッティングにより、低エネルギーにおけるフェルミ表面の性質を推定した。
• 有効キャリア密度 $n_{\text{eff}}(T)$（$R_H(T)$ から導出）をモデル化した。電子ポケットとホールポケットの寄与を仮定し、$n_e = n_h$ および $\sigma_e \approx \sigma_h$ とした。
• $T_S/2$ 未満の $n_{\text{eff}}(T)$ を $C + DT^2$ または $C + DT^3$ にフィッティングし、$\log n_{\text{eff}}$ 対 $1/T$ 図において $T^2$ または $T^3$ 背景を差し引いた後の勾配から、SDWギャップ $\Delta_{SDW}(0)$ を抽出した。
• 推定された $\Delta_{SDW}(0)$ の値をBCS予測および光学反射率データと比較した。特に、Baでは360/890 cm⁻¹、Srでは500/1360 cm⁻¹ の異常発現と一致を確認した。
• 磁場ブレイキング効果を評価したが、それらは無視できるほど小さく、楕円体ポケットに対する標準ホール式の妥当性を支持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A-Fe₂As₂（A = Ba, Ca, Sr）のホール係数 $R_H(T)$ は、構造転移・磁気転移温度 $T_S$ を超えてどのように変化するか？
• RQ2 $R_H(T)$ とホール移動度の $T$ 依存性を用いて、ゼロ温度におけるスピン密度波ギャップ $\Delta_{SDW}(0)$ を推定できるか？
• RQ3 Sr-122およびBa-122のホールデータは、高場量子振動結果とどの程度整合するか？
• RQ4 推定された $\Delta_{SDW}(0)$ の値は、BCS理論および光学反射率測定とどのように比較できるか？
• RQ5 $1/\mu_H(T)$ の $T^2$ や $T^3$ 依存性の起源は何か？フェルミ表面のネスティングおよびキャリア散乱とどのように関係するか？

主な発見

• ホール係数 $R_H(T)$ は20 Kから80 Kの間で3倍に増加し、その後 $T_S$ 未満で平坦化する。これはスピン密度波状態へのクロスオーバーを示唆している。
• Sr-122では $\Delta_{SDW}(0) = 710 \pm 70$ K（BCS予測の約2.1倍）、Ba-122では $435 \pm 20$ K（BCS予測の約1.8倍）であった。
• Ca-122では、$n_{\text{eff}}(T)$ を $C + DT^3$ にフィッティングした場合 $\Delta_{SDW}(0) = 1150 \pm 150$ K となったが、$C + DT^2$ にフィッティングした場合は約1.2倍にとどまり、低温度領域の挙動に不確実性があることを示した。
• $1/\mu_H(T)$ の $T^2$ 項は、Sr-122ではBa-122の4倍大きく、これはSr-122のフェルミエネルギー $E_F$ が低いことと整合した。
• 光学反射率データでは、Baで360/890 cm⁻¹、Srで500/1360 cm⁻¹ の異常が観測され、それぞれ $\Delta_{SDW}(0)$ および $2\Delta_{SDW}(0)$ と一致した。
• Sr-122のホールデータは高場量子振動結果と極めて良好に一致しており、低場ホール測定がSDWギャップを調べるのに有効であることを裏付けた。