[論文レビュー] Structural and electronic phase diagrams of CeFeAsO1-xFx and SmFeAsO1-xFx

H. Maeter, Jorge Enrique Hamann Borrero+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、ミュオンスピンリダクション（μSR）、X線回折、および補足的分光法を用いて、CeFeAsO1-xFxおよびSmFeAsO1-xFxの構造的・電子的相図をマッピングした。磁気的および構造的転移が強く結合されており、短距離磁気秩序が長距離秩序に先行することが明らかになった。最適ドーピング領域では超伝導性と短距離磁気秩序が共存しているが、その性質はナノスケールの相分離か微視的共存かのいずれであるかはまだ明確でない。

ABSTRACT

We have studied the structural and electronic phase diagrams of CeFeAsO1-xFx and SmFeAsO1-xFx by a detailed analysis of muon spin relaxation experiments, synchrotron X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, electrical resistivity, specific heat, and magnetic susceptibility measurements (Full abstract in the main document).

研究の動機と目的

• FドーピングされたRFeAsO（R = Ce, Sm）系における磁気的転移から超伝導への転移について、矛盾する報告を解消すること。
• 希土類-鉄アルミニウム酸化物系における構造的・磁気的・超伝導的相の相乗的相互作用を明確化すること。
• 観測された超伝導性と短距離磁気秩序の共存が、電子的相分離か微視的共存かのどちらに起因するかを特定すること。
• 構造的および磁気的転移の広がりを定量的に評価し、臨界揺らぎおよび不純物の起源を検討すること。
• ドーピングレベルにわたる遷移温度の直接的（μSR, XRD）および間接的（抵抗率）測定を比較すること。

提案手法

• 局所的磁場のプローブおよび短距離・長距離磁気秩序の検出を目的として、ミュオンスピンリダクション（μSR）実験を実施した。
• 構造的転移の測定およびブラッグピークの広がりの分析を目的として、シンクロトロンX線回折を実施した。
• 相転移の妥当性を検証するために、モスバウアー分光法、電気抵抗率、比熱、磁化率を用いた。
• 磁気的体積分率のべき乗則的スケーリングおよび温度依存の秩序パラメータを用いた妥当的モデルを適用し、広がった磁気的転移を記述した。
• 超伝導状態における磁気的浸透深度を分析し、ギャップ対称性を評価した。その結果、単一のノードレスs波ギャップと整合的であることが判明した。
• Fドーピングに伴う格子定数およびイオン不純度の変化を、4fモーメント相互作用（RKKY対比およびスピン交換）の変化と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeFeAsO1-xFxおよびSmFeAsO1-xFxにおけるフルオリンドーピングに伴う構造的および磁気的転移の進化はいかなるものか？
• RQ2 最適ドーピング組成で観測された超伝導性と短距離磁気秩序の共存の性質は何か？
• RQ3 なぜ磁気的および構造的転移が広い温度範囲にわたり広がっているのか。その広がりの原因は何か？
• RQ4 臨界揺らぎおよび不純物は、磁気的および構造的転移の広がりにどの程度寄与しているか？
• RQ5 Fドーピングは希土類元素の4f磁気的秩序にどのように影響を与え、支配的相互作用機構（RKKY対比またはスピン交換）は何か？

主な発見

• テトラゴナルから正方晶への構造的転移が長距離磁気的秩序転移を先行し、両者ともFドーピングの増加に伴い抑制される。
• Sm系では、長距離磁気的秩序が構造的転移温度より約10 K高い温度まで持続しており、明確な磁気的相領域が存在することが示された。
• 両系とも広い温度範囲にわたり短距離磁気秩序を示し、SmFeAsOではμSRがコherentな振動を検出しており、クラスタ内での長距離秩序が示唆された。
• 磁気的転移は広がっており、ブラッグピークの広がりおよび横方向の緩和率におけるべき乗則的挙動が観測され、臨界揺らぎおよび不純物と整合的であった。
• 超伝導状態のサンプルでは、磁気的浸透深度が単一のノードレスs波ギャップと整合的であり、従来の対称性を示した。
• 希土類元素の磁気的秩序はFドーピングによって弱体化する：SmではTNが1–2 K低下するのみであるが、Ceではx = 0.145で約1 Kまで低下し、不純物およびフェルミ表面の変化に起因するRKKY相互作用の弱体化が示唆された。