[论文解读] Antiferromagnetic spin excitations in single crystals of nonsuperconducting Li1-xFeAs

M Wang, XC Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2011

Advanced Chemical Physics Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射研究非超导Li1-xFeAs单晶中的自旋激发，发现在低能量下存在位于Q=(1,0)处的反铁磁自旋激发，而在接近布里渊区边界时则移至Q'=(±0.5,±0.5)。尽管费米面嵌套性较差，强自旋涨落仍主导低能物理行为，表明在铁砷化物中理解磁激发必须同时考虑巡游电子与电子关联效应。

ABSTRACT

We use neutron scattering to determine spin excitations in single crystals of nonsuperconducting Li1-xFeAs throughout the Brillouin zone. Although angle resolved photoemission experiments and local density approximation calculations suggest poor Fermi surface nesting conditions for antiferromagnetic(AF) order, spin excitations in Li1-xFeAs occur at the AF wave vectors Q = (1, 0) at low energies, but move to wave vectors Q = (\pm 0.5, \pm0.5) near the zone boundary with a total magnetic bandwidth comparable to that of BaFe2As2. These results reveal that AF spin excitations still dominate the low-energy physics of these materials and suggest both itinerancy and strong electron-electron correlations are essential to understand the measured magnetic excitations.

研究动机与目标

• 确定缺乏静态反铁磁序的非超导Li1-xFeAs单晶中自旋激发的性质。
• 研究在费米面嵌套性缺失的情况下，反铁磁自旋涨落是否仍能持续，以挑战从能带结构计算得出的传统预期。
• 评估电子关联与巡游磁性在塑造铁基超导体磁激发谱中的作用。
• 将Li1-xFeAs的磁激发谱与其他铁 pnictides 进行比较，判断其是否可由简单的海森堡模型描述。

提出的方法

• 对x=0.06±0.01的Li0.94FeAs单晶进行非弹性中子散射，以在整个布里渊区映射自旋激发。
• 测量能量和动量依赖的自旋激发谱，识别色散模式及随能量增加的波矢演化。
• 对整个带宽内的动态自旋磁化率χ''(ω)的虚部进行积分，以提取自旋涨落磁矩⟨m²⟩。
• 采用包含最近邻（J1a, J1b）、次近邻（J2）和环交换（J3）相互作用的自旋波哈密顿量来模拟色散关系。
• 在模型计算中引入经验阻尼项Γ=0.15E，以描述自旋波的展宽。
• 将实验获得的等能量切片和色散关系与理论模型进行比较，以约束交换耦合参数并确定J1b的符号。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管LDA计算预测费米面嵌套性较差，Li1-xFeAs中是否仍存在反铁磁自旋激发？
• RQ2 自旋激发波矢如何随能量增加而演化，其演化揭示了何种基本磁相互作用？
• RQ3 在Q'=(±0.5,±0.5)附近的高能自旋激发是否可用仅含标准交换耦合的最小海森堡模型解释？
• RQ4 在缺乏静态长程序的情况下，电子关联与巡游磁性在维持强自旋涨落中起何种作用？
• RQ5 为重现实验测得的自旋激发谱，特别是不同晶向色散的各向异性，需要哪些自旋交换耦合参数？

主要发现

• 在Li0.94FeAs中，自旋激发在能量高达~80 meV时集中于Q=(1,0)，表明存在动态反铁磁涨落。
• 在能量高于~130 meV时，自旋激发分裂并朝Q'=(±0.5,±0.5)色散，表明存在强磁各向异性和竞争交换作用。
• 总磁能带宽度与BaFe2As2相当，表明尽管无静态序，仍存在强磁关联。
• 自旋涨落磁矩⟨m²⟩=2.1±0.6 μB²与其它铁 pnictides 相当，证实存在强局域磁矩。
• 仅含最近邻和次近邻耦合的简单海森堡模型无法重现高能色散，需引入额外项如环交换（J3）和各向异性。
• 理论分析证明，负的J1b（次近邻耦合）既必要也足以重现[1,K]方向上的观测色散极大值，表明存在竞争的铁磁与反铁磁相互作用。