[论文解读] Effect of nematic order on the low-energy spin fluctuations in detwinned BaFe$_{1.935}$Ni$_{0.065}$As$_2$

Wenliang Zhang, J. T. Park+9 more|iMPULSE (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum)|Jul 22, 2016

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过在单轴压力下对解孪的 BaFe1.935Ni0.065As2 进行非弹性中子散射，探究了向列序在低能自旋涨落中的作用。结果发现在结构相变温度 Ts 以下，(0, π) 处自旋-自旋关联长度出现减小，提供了直接实验证据，表明自旋向列序驱动了铁基超导体中的电子向列序。

ABSTRACT

The origin of nematic order remains one of the major debates in iron-based superconductors. In theories based on spin nematicity, one major prediction is that the spin-spin correlation length at (0,$π$) should decrease with decreasing temperature below the structural transition temperature $T_s$. Here we report inelastic neutron scattering studies on the low-energy spin fluctuations in BaFe$_{1.935}$Ni$_{0.065}$As$_2$ under uniaxial pressure. Both intensity and spin-spin correlation start to show anisotropic behavior at high temperature, while the reduction of the spin-spin correlation length at (0,$π$) happens just below $T_s$, suggesting strong effect of nematic order on low-energy spin fluctuations. Our results favor the idea that treats the spin degree of freedom as the driving force of the electronic nematic order.

研究动机与目标

• 确定铁基超导体中电子向列序的起源，特别是其是否由自旋或轨道自由度驱动。
• 利用无孪结构域干扰的洁净解孪样品，研究向列序对低能自旋涨落的影响。
• 检验自旋向列理论关于向列相中 (π,0) 和 (0,π) 处自旋-自旋关联长度各向异性的预测。
• 建立向列序参数与自旋激发强度和半高宽各向异性之间的定量关联。

提出的方法

• 在解孪单晶 BaFe1.935Ni0.065As2 上施加单轴压力，进行非弹性中子散射（INS）实验，以消除孪结构域的影响。
• 在 Ts 上下温度范围内测量波矢为 (π,0) 和 (0,π) 处的自旋激发强度和半高宽（FWHM）。
• 利用反强度差值（ΔS⁻¹）和半高宽平方差（ΔFWHM²）探测向列序参数 φ，假设 φ ∝ M₁² − M₂²。
• 应用 Landau 自由能模型 F = aφ² + bφ⁴ + hφ，其中 h 代表单轴应力作为外场，拟合向列序参数的温度依赖性。
• 对原始 INS 数据进行玻色因子校正，并在动量空间积分，提取 χ(101) 和 χ(011) 以进行关联长度分析。
• 将观测到的自旋涨落在 (π,0) 和 (0,π) 处的各向异性与自旋向列模型（Fernandes 等，2011, 2012）的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaFe1.935Ni0.065As2 中的向列序是否如自旋向列理论所预测的那样，在 (π,0) 和 (0,π) 处诱导出自旋涨落的各向异性？
• RQ2 在 (0,π) 处的自旋-自旋关联长度从何时开始减小？该现象是否与结构相变温度 Ts 一致？
• RQ3 观测到的自旋激发强度和半高宽各向异性是否与自旋驱动的向列序参数一致？
• RQ4 能否从 (π,0) 和 (0,π) 处反强度与半高宽的差异中定量提取向列序参数？
• RQ5 在单轴应力作用下，向列序参数的温度依赖性是否符合 Landau 相变理论？

主要发现

• 在 (0,π) 处的自旋-自旋关联长度在结构相变温度 Ts ≈ 80 K 以下突然减小，与自旋向列理论预测一致。
• (π,0) 和 (0,π) 处自旋激发强度与半高宽的各向异性在 Ts 以上即已出现，表明向列自旋涨落早期即已形成。
• 反强度差值（ΔS⁻¹）与半高宽平方差（ΔFWHM²）之间呈线性关系，支持了向列序与自旋激发各向异性之间的理论联系。
• 定义为 χ(101) − χ(011) 的向列序参数 χ_nem 在 Ts 以上即具有非零值，表明单轴压力稳定了向列涨落。
• 引入单轴应力作为外场（h）的 Landau 自由能模型成功描述了向列序参数的温度依赖性。
• 在 Ts 以下 (0,π) 处自旋涨落被抑制、(π,0) 处被增强的观测结果，为电子向列序的自旋向列起源提供了强有力的实验证据。