[논문 리뷰] Suppression of low-energy longitudinal spin-excitations in Co-underdoped BaFe2As2

F. Waßer, C.H. Lee외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 07.

Iron-based superconductors research참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Co-과도도핑된 BaFe2As2에서 자성 진동을 조사하기 위해 투과된 비탄성 중성자 산란을 사용하여, 반자성 질서에서 기인하는 큰 스핀 갭으로 인해 저에너지 종방향 스핀 변동이 강하게 억제됨을 밝혀냈다. 이 억제는 초전도 갭의 두 배를 초월하며, Tc의 감소를 설명하고 반자성과 초전도성의 국소적 공존을 시사하며, 초전도 상태에서만 횡방향 스핀 채널에서 두 개의 이방성 공명 모드가 나타남을 보여준다.

ABSTRACT

Polarized inelastic neutron scattering experiments were performed to study magnetic excitations in the normal and superconducting phases of Co-underdoped BaFe$_2$As$_2$, which exhibits coexistence of antiferromagnetic order and superconductivity. In the normal state the antiferromagnetic order results in broadened spin gaps opening in all three spin directions that are reminiscent of the magnetic response in pure antiferromagnetic BaFe$_2$As$_2$. In particular longitudinal excitations exhibit a large gap. In the superconducting state we find two distinct resonance excitations, which both are anisotropic in spin-space, and which both do not appear in the longitudinal polarization channel. This behavior contrasts to previous polarized neutron results on samples near optimum or higher doping. The gap in the longitudinal fluctuations arising from the antiferromagnetic order seems to be sufficiently larger than twice the superconducting gap to suppress any interplay with the superconducting state. This suppressed low-energy weight of longitudinal fluctuations can explain the reduced superconducting transition temperature in underdoped BaFe$_2$As$_2$ and indicates that the coexistence of antiferromagnetism and superconductivity occurs locally.

연구 동기 및 목표

• 과도도핑된 철기반 초전도체에서 반자성 질서와 초전도성 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 초전도성과 반자성 질서가 미세구조적으로 공존하는지 여부 또는 상분리되는지 확인하기 위해.
• 초전도 상태에서 자성 공명의 스핀-공간 이방성 특성을 조사하기 위해.
• 종방향 스핀 변동이 초전도 전이 온도를 억제하는 데 미치는 역할를 명확히 하기 위해.
• 과도도핑된 Ba(Fe0.955Co0.045)2As2의 자기 진동 스펙트럼을 최적도핑 시스템과 비교하기 위해.

제안 방법

• Néel 전이 및 초전도 전이 온도 이상과 이하에서 Co-과도도핑된 BaFe2As2에서 투과된 비탄성 중성자 산란(INS)을 수행하였다.
• 기하학적 요인 보정과 배경 제거를 통해 자성 동적 수반성분 χ′′_long, χ′′_t-in, 및 χ′′_t-out을 추출하였다.
• 스펙트럼 무게와 에너지 의존성 모델링을 위해 각 스핀 채널에 대해 로그노멀 분포를 사용하여 데이터를 피팅하였다.
• SFz 및 SFy 채널에서 산란 강도의 l-의존성을 분석하여 종방향 대비 횡방향 성분의 상대 기여를 규명하였다.
• 종방향 변동 억제 정도를 정량화하기 위해 비율 p = χ′′_long / (χ′′_long + χ′′_t-out)를 계산하였다.
• 1.5 K에서의 스펙트럼을 동시에 피팅하여 서로 다른 스핀 채널에서의 공명 에너지를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Co-과도도핑된 BaFe2As2에서 최적도핑 시스템에 비해 초전도 전이 온도(Tc)가 낮아지는가?
• RQ2 초전도 상태에서 종방향 스핀 변동이 유지되는가? 그리고 초전도 갭과 어떻게 결합되는가?
• RQ3 초전도 상태에서 관측된 두 개의 이방성 공명 모드의 기원은 무엇인가?
• RQ4 큰 반자성 스핀 갭 존재가 초전도 상태에서 자기 반응에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 과도도핑된 BaFe2As2에서 반자성과 초전도성의 공존은 국소적 공존인지 상분리된 상태인가?

주요 결과

• 종방향 스핀 채널은 정상 상태에서 큰 스핀 갭을 보이며, 초전도 갭의 두 배를 초월한다(2Δ ≈ 8 meV), 이는 종방향 변동의 강한 억제를 시사한다.
• 초전도 상태에서 종방향 변동은 약 8 meV 이하에서 완전히 억제되어 있으며, SFz 채널에서 검출 가능한 신호가 없음.
• 초전도 상태에서 두 개의 구분되는 이방성 공명 모드가 나타남: t-in 채널에서 4.7 meV, t-out 채널에서 5.9 meV.
• 공명에서 종방향 성분이 전혀 없음(p ≈ 0)은 최적도핑 샘플에서 관측되는 상당한 종방향 성분(p ≈ 0.28)과 대조적으로 뚜렷하다.
• 저에너지 종방향 변동의 억제는 이러한 변동이 교환 에너지를 낮추는 데 기여할 수 없기 때문에, 과도도핑된 BaFe2As2에서 Tc가 감소하는 이유를 설명한다.
• 결과는 반자성과 초전도성의 국소적 공존을 지지하며, 자성 질서와 초전도성 쌍화가 상분리 없이 미세구조적으로 공존함을 시사한다.