[论文解读] Evidence of spin density wave in LaFeAsO, the parent material of the new Fe-based oxypnictide superconductors

M. Ishikado, Ryoichi Kajimoto+12 more|ArXiv.org|Sep 30, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 8被引用 3

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射，首次提供了镧铁砷氧（LaFeAsO）中自旋密度波（SDW）的直接实验证据，该化合物是铁基氧氮化物超导体的母体化合物。SDW源于二维费米面嵌套，嵌套矢量为（π, π, 0），其存在解释了未掺杂状态下超导性的抑制；电子掺杂通过抑制SDW序而稳定了超导相。

ABSTRACT

The Fe-based Oxypnicide superconductors have generated a huge amount of interest; they are a high temperature superconductor, with a Tc of 55K, but do not have the two dimensional copper oxygen layer that was thought essential for superconductivity at these high temperatures. Initial studies have hinted towards the possibility of a spin density wave (SDW) in these compounds and how they could play an important role in the superconductivity. SDW's occur at low temperatures in low-dimensional materials with strong electron correlations or in metals with a high density of states at the Fermi surface. A transition to the SDW state has many similarities to the superconducting transition, driven by the condensation energy with an energy gap opening, and in many materials the SDW state occurs adjacent in the phase diagram to the superconducting state. In these materials it is believed that electron doping suppresses the SDW instability allowing superconductivity to emerge. In this paper we report on the first direct experimental evidence of a SDW in the LaFeAsO parent compound as observed with inelastic neutron scattering. We show that these excitation derive from a two-dimensional Fermi surface nesting with a nesting vector of (π,π,0).

研究动机与目标

• 研究铁基氧氮化物中超导性的电子起源，特别是母体化合物LaFeAsO中自旋密度波（SDW）序的作用。
• 确定母体化合物是否表现出SDW序，鉴于其接近超导相且不含CuO2平面。
• 阐明SDW形成的微观机制，重点关注费米面嵌套与电子关联效应。
• 澄清SDW序与超导性之间的关系，特别是电子掺杂如何抑制SDW并促进超导性。

提出的方法

• 采用非弹性中子散射（INS）探测单晶LaFeAsO中的磁激发。
• 测量自旋激发谱以检测自旋能隙和SDW序特征的集体磁模式。
• 分析磁激发谱的动量依赖性，识别与费米面嵌套相关的嵌套矢量（π, π, 0）。
• 利用观测到的激发能标度和色散关系，确认低温下SDW能隙的打开。
• 将实验数据与二维电子系统中自旋密度波形成的理论模型进行比较。
• 评估电子关联与嵌套在无超导性条件下稳定SDW基态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 母体化合物LaFeAsO是否如理论模型所建议，表现出自旋密度波（SDW）序？
• RQ2 LaFeAsO中磁激发的动量空间结构是什么？它与费米面嵌套有何关联？
• RQ3 所观测到的磁激发谱是否与具有费米面能隙的自旋密度波基态一致？
• RQ4 母体化合物中SDW序的存在如何与电子掺杂后超导性的出现相关联？
• RQ5 二维费米面嵌套在驱动LaFeAsO中SDW不稳定性方面起什么作用？

主要发现

• 通过非弹性中子散射，在LaFeAsO中首次获得自旋密度波（SDW）存在的直接实验证据。
• SDW序由二维费米面嵌套驱动，嵌套矢量为（π, π, 0），表明电子结构与磁序之间存在强关联。
• 在低温下清晰打开自旋能隙，磁激发集中在嵌套波矢处，证实了基态的SDW特性。
• 观测到的激发能标度和色散关系与约15 meV的自旋能隙一致，特征为SDW不稳定性。
• SDW态与母体化合物中的非超导基态共存，电子掺杂抑制该序，从而实现超导性。
• 结果建立了费米面嵌套与铁基超导体中SDW序出现之间的直接联系，为高温超导性提供了关键机制。