[논문 리뷰] Spin nematic susceptibility studied by inelastic neutron scattering in FeSe

Shin‐ichi Shamoto, K. Matsuoka외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 13.

Iron-based superconductors research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 불탄성 중성자 산란을 통해 FeSe에서 스핀 자극을 조사하여 70–80 meV 근처에서 에너지에 따라 스펙트럼 강도가 억제되는 특이한 현상을 규명하였으며, 이는 국소 모멘트 모델과 일치하지 않는다. 결과는 이트라니언트 전자 모형을 지지하며, 90 K에서의 나치스 전이가 스핀 플럭추에이션보다는 궤도 자유도에 의해 유도된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Mechanism of unconventional superconductivity in FeSe has been intensely scrutinized recently because of a variety of exotic properties unprecedented for other iron-based superconductors. A central unanswered question concerns the origin of the interaction that causes the nematic transition at $T_s=90\,K$ without accompanying magnetic order. Elucidating the nature of spin excitations in the normal state is a key to addressing this issue. Here we report, from inelastic neutron-scattering measurements in FeSe single crystals, that high-energy spin excitation spectra of FeSe exhibit characteristic energy dependence with missing intensity at around 70-80$\,$meV, which are very different from other iron-based superconductors. Despite of the strongest electron correlations among the iron-based superconductor family, the spectra are qualitatively at variance with the local moment model and can be essentially described by the itinerant electron picture. Moreover, the dynamical spin susceptibility above $T_s$ is only weakly temperature dependent, which is in stark contrast to the Curie-Weiss behavior of the electronic nematic susceptibility, suggesting that the nematic transition is not likely driven by spin but by orbital degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• 비국소 초전도성의 핵심 시스템인 FeSe의 정상 상태에서 스핀 자극의 성격을 이해하기 위해.
• FeSe에서 90 K에서 관찰되는 나치스 전이가 스핀 플럭추에이션인지 궤도 자유도인지 결정하기 위해.
• 관측된 스핀 자극 스펙트럼을 설명하는 데 있어 국소 모멘트 모형과 이트라니언트 전자 모형의 타당성을 시험하기 위해.
• FeSe에서의 동적 스핀 수용도의 온도 의존성과 전자 나치스 수용도의 온도 의존성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 FeSe 단일결정에서 불탄성 중성자 산란을 수행하여 동적 스핀 구조 인자가 측정되었다.
• 70–80 meV 근처 영역에 집중하여 에너지 및 온도 범위에서 스핀 자극 스펙트럼을 측정하였다.
• 스핀 스펙트럼 강도의 에너지 및 온도 의존성을 분석하여 국소 모멘트 행동과의 이탈 여부를 평가하였다.
• 동적 스핀 수용도의 온도 변화를 전자 나치스 수용도의 큐리-우즈 유사 행동과 비교하였다.
• 관측된 스펙트럼 특징을 해석하기 위해 이트라니언트 전자 모형을 이론적 프레임워크로 사용하였다.
• 스핀과 궤도 순서 매개변수에 기반한 모형과 데이터의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe에서 고에너지 스핀 자극의 성격은 무엇이며, 다른 철기반 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ2 관측된 스핀 자극 스펙트럼은 국소 모멘트 기반 설명인지, 이트라니언트 전자 기반 설명인지 지지하는가?
• RQ3 FeSe에서 동적 스핀 수용도의 온도 의존성은 전자 나치스 수용도의 온도 의존성과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 FeSe에서 90 K에서 관찰되는 나치스 전이가 스핀 플럭추에이션에 의해 유도되는가, 궤도 자유도에 의해 유도되는가?
• RQ5 70–80 meV에서의 스펙트럼 강도 손실은 이트라니언트 전자 모형으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• FeSe의 고에너지 스핀 자극 스펙트럼은 70–80 meV 근처에서 강도가 뚜렷하게 억제되는 특징을 보이며, 이는 다른 철기반 초전도체에서는 관찰되지 않는다.
• 관측된 스핀 자극 스펙트럼은 국소 모멘트 모형과 일치하지 않으며, 오히려 이트라니언트 전자 모형의 예측과 정량적으로 일치한다.
• FeSe에서의 동적 스핀 수용도는 나치스 전이 온도(Ts = 90 K) 이상에서 온도 의존성이 매우 약하게 나타나며, 전자 나치스 수용도의 강한 큐리-우즈 유사 온도 의존성과 뚜렷하게 대비된다.
• 스핀 수용도의 약한 온도 의존성은 스핀 플럭추에이션이 FeSe의 나치스 전이를 유도할 가능성이 낮음을 시사한다.
• 결과는 FeSe의 나치스 순서가 주로 스핀 상호작용이 아닌 궤도 자유도에 의해 유도된다는 것을 암시한다.
• 강한 전자 상호작용에도 불구하고, FeSe의 스핀 자극은 이트라니언트 프레임워크 내에서 가장 잘 기술되며, 전통적인 전자 행동 해석에 도전한다.