[论文解读] Paramagnetic Spin Correlations in CaFe2As2 Single Crystals

Souleymane Diallo, DAN E. PRATT+14 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Jan 17, 2010

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射技术，研究了CaFe2As2在反铁磁转变温度（TN = 172 K）以上的顺磁自旋关联。结果揭示了在高达300 K时，以Q_AFМ为中心的短程、各向异性的反铁磁涨落，具有准二维特征和过阻尼动力学，表明在正交相中存在纳米尺度的自旋向列态和条纹关联。

ABSTRACT

Magnetic correlations in the paramagnetic phase of CaFe2As2 (T_N=172 K) have been examined by means of inelastic neutron scattering from 180 K (~ 1.05 T_N) up to 300 K (~1.8 T_N). Despite the first-order nature of the magnetic ordering, strong but short-range antiferromagnetic (AFM) correlations are clearly observed. These correlations, which consist of quasi-elastic scattering centered at the wavevector Q_{AFM} of the low-temperature AFM structure, are observed up to the highest measured temperature of 300 K and at high energy transfer (E> 60 meV). The L dependence of the scattering implies rather weak interlayer coupling in the tetragonal c-direction corresponding to nearly two-dimensional fluctuations in the (ab) plane. The spin correlation lengths within the Fe layer are found to be anisotropic, consistent with underlying fluctuations of the AFM stripe structure. Similar to the cobalt doped superconducting BaFe2As2 compounds, these experimental features can be adequately reproduced by a scattering model that describes short-range anisotropic spin correlations with overdamped spin dynamics.

研究动机与目标

• 研究CaFe2As2在磁有序温度TN=172 K以上的顺磁相中自旋涨落的性质。
• 确定在铁基超导体中观察到的准二维和强阻尼自旋涨落是否为母体化合物的本征性质，还是仅在掺杂后才出现。
• 研究磁阻挫和层间耦合在正交相中对自旋关联长度和动力学的影响。
• 评估顺磁自旋涨落与底层J1-J2自旋模型之间的关系，特别是自旋关联的各向异性。

提出的方法

• 在单晶CaFe2As2上进行非弹性中子散射实验，温度范围为180 K至300 K，覆盖TN以上的顺磁相。
• 测量动量空间中的散射强度，重点分析(hhL)和(h0L)平面的切片，以描绘自旋关联的能量和动量依赖性。
• 通过分析散射强度的L依赖性，提取层间耦合强度并评估自旋涨落的二维特征。
• 利用面内自旋关联长度的各向异性，推断最近邻（J1）和次近邻（J2）交换相互作用的相对强度。
• 将数据拟合至一个短程、过阻尼自旋关联的各向异性动力学模型，以描述在Q_AFМ处的准弹性散射。
• 将顺磁相中提取的交换比（J1/J2和Jc/J2）与有序相中的结果进行比较，评估磁相互作用在相变过程中的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CaFe2As2的顺磁相中，高于TN=172 K时是否存在短程反铁磁自旋关联？
• RQ2 在正交相中，自旋涨落的维度和各向异性如何？与有序态中的行为相比有何不同？
• RQ3 在顺磁相中，层间耦合强度（Jc）与反铁磁有序相中的值相比如何？
• RQ4 所观察到的自旋涨落在多大程度上反映了底层J1-J2模型物理，特别是磁阻挫和向列序的存在？
• RQ5 母体化合物中的顺磁自旋涨落是否与铁基超导体中观察到的相似，提示自旋动力学具有共同起源？

主要发现

• 强而短程的反铁磁自旋关联可维持至300 K，且以低温反铁磁结构的波矢Q_AFМ为中心，表明磁序参数在TN以上仍存在。
• 在Fe(110)平面内，自旋关联长度呈现各向异性，沿反铁磁键方向关联更长，沿铁磁键方向更短，这是由于J1阻挫所致。
• 在顺磁相中，最近邻与次近邻交换相互作用之比为J1/J2 = 0.55 ± 0.36，证实J1为反铁磁性，并表明系统处于阻挫区域。
• 层间耦合较弱，Jc/J2 ≈ 0.1 ± 0.01，表明在TN以上自旋涨落主要为二维特征，与TN以下的更三维特征形成对比。
• 通过自旋磁化率χ₀估算的有效次近邻交换相互作用为J2 ≈ 10 meV，与有序相中自旋波拟合得到的25–35 meV值一致。
• 顺磁自旋涨落表现出过阻尼动力学，且能被一个短程、各向异性的自旋关联模型良好描述，与超导BaFe2As2化合物中观察到的行为相似。