[论文解读] Coexistence of ferromagnetism and superconductivity in CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$
本研究在CeO₀.₃F₀.₇BiS₂中识别出铁磁性（T_FM = 6.54 K）与超导性（T_SC ≈ 4.5 K）的共存，其中在T_FM以下出现一种1.8 meV的Ising型自旋波模式。非弹性中子散射显示，该模式因横向自旋无序和各向异性交换作用而产生磁场诱导分裂，表明层间耦合较弱，从而实现了这两种通常相互排斥的有序态的罕见共存。
Bulk magnetization, transport and neutron scattering measurements were performed to investigate the electronic and magnetic properties of a polycrystalline sample of the newly discovered ferromagnetic superconductor, CeO$_{0.3}$F$_{0.7}$BiS$_{2}$. Ferromagnetism develops below T$_{FM}$ = 6.54(8) K and superconductivity is found to coexist with the ferromagnetic state below T$_{SC}$ ~ 4.5 K. Inelastic neutron scattering measurements reveal a very weakly dispersive magnetic excitation at 1.8 meV that can be explained by an Ising-like spin Hamiltonian. Under application of an external magnetic field, the direction of the magnetic moment changes from the c-axis to the ab-plane and the 1.8 meV excitation splits into two modes. A possible mechanism for the unusual magnetism and its relation to superconductivity is discussed.
研究动机与目标
- 研究多晶CeO₀.₃F₀.₇BiS₂的磁性和超导性质，该材料是一种新发现的铁磁性超导体。
- 确定在超导存在下磁序的性质及自旋激发的特征。
- 理解铁磁性与超导性共存的机制，尽管二者通常相互排斥。
- 考察晶体缺陷和局域磁各向异性在外部磁场下对磁响应的调节作用。
提出的方法
- 对多晶CeO₀.₃F₀.₇BiS₂样品进行了体磁化率、电输运及中子散射测量。
- 利用中子粉末衍射分析晶体结构和磁结构，发现衍射峰展宽，表明结晶质量较差。
- 通过非弹性中子散射探测磁激发谱并识别自旋波模式。
- 施加外部磁场以研究磁场依赖的自旋动力学并检测模式分裂。
- 采用包含最近邻和次近邻相互作用的三维Ising自旋哈密顿量对自旋激发进行建模。
- 通过考虑晶体各向异性、晶体场效应及非均匀磁性，分析磁场诱导分裂的起源。
实验结果
研究问题
- RQ1尽管铁磁性与超导性通常相互排斥，CeO₀.₃F₀.₇BiS₂中二者如何实现共存？
- RQ21.8 meV处观测到的磁激发的性质是什么？其在外加磁场下的响应如何？
- RQ3晶体缺陷在该体系的磁各向异性和自旋动力学中起什么作用？
- RQ4Ce基铁磁性层与BiS₂超导层之间的层间耦合是否足够强，以介导配对或抑制磁性？
- RQ5观测到的自旋波磁场诱导分裂是否可由各向异性交换或局域磁无序解释？
主要发现
- CeO₀.₃F₀.₇BiS₂中的铁磁性在T_FM = 6.54(8) K以下出现，磁矩沿c轴方向排列。
- 超导性在T_SC ≈ 4.5 K以下出现，与铁磁态共存且未破坏磁序。
- 观测到一种弱色散的磁激发，能量为1.8 meV，可用包含最近邻和次近邻相互作用的三维Ising自旋哈密顿量良好描述。
- 施加外磁场导致自旋翻转转变，使磁矩从c轴重新取向至ab面。
- 在磁场作用下，1.8 meV模式分裂为两个独立激发，其中一个模式能量升高，另一个几乎保持不变。
- 异常的磁场响应归因于局域原子畸变和强随机各向异性引起的非均匀磁性，与表明晶格无序的展宽核衍射峰一致。
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