[论文解读] Hedgehog spin vortex crystal in a hole-doped iron based superconductor

William R. Meier, Qing-Ping Ding+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2017

Iron-based superconductors research被引用 2

一句话总结

本研究通过热力学、输运性质、结构分析及局域磁性探测的综合手段，在镍和钴共掺杂的CaKFe4As4（一种空穴掺杂铁基超导体）中识别出一种刺猬自旋旋涡晶格（SVC）序。这种非寻常的SVC相源于晶体对称性的降低，表明多个近乎简并的磁态可增强磁涨落，可能促进高温超导电性。

ABSTRACT

Magnetism is widely considered to be a key ingredient of unconventional superconductivity. In contrast to cuprate high-temperature superconductors, antiferromagnetism in Fe-based superconductors (FeSCs) is characterized by a pair of magnetic propagation vectors. Consequently, three different types of magnetic order are possible. Of theses, only stripe-type spin-density wave (SSDW) and spin-charge-density wave (SCDW) orders have been observed. A realization of the proposed spin-vortex crystal (SVC) order is noticeably absent. We report a magnetic phase consistent with the hedgehog variation of SVC order in Ni- and Co-doped CaKFe4As4 based on thermodynamic, transport, structural and local magnetic probes combined with symmetry analysis. The exotic SVC phase is stabilized by the reduced symmetry of the CaKFe4As4 structure. Our results suggest that the possible magnetic ground states in FeSCs have very similar energies, providing an enlarged configuration space for magnetic fluctuations to promote high-temperature superconductivity.

研究动机与目标

• 在理论预测存在但尚未被实验观测到的情况下，识别铁基超导体中难以捉摸的自旋旋涡晶格（SVC）磁序。
• 研究CaKFe4As4中晶体对称性的降低如何稳定诸如SVC序的刺猬变体等非寻常磁相。
• 通过探索竞争磁态之间的能量简并性，确定磁涨落在促进高温超导电性中的作用。
• 利用多种实验探测手段，区分铁基超导体中三种可能的磁序——条纹型自旋密度波、自旋电荷密度波和自旋旋涡晶格。

提出的方法

• 采用热力学测量检测比热和磁化率中的相变与异常行为。
• 开展输运测量以探测电子响应及破对称行为。
• 利用X射线或中子衍射进行结构分析，评估晶格畸变与对称性破缺。
• 应用局域磁性探测技术，如μ子自旋松弛（μSR），检测长程磁序及类似涡旋的自旋结构。
• 进行对称性分析，将观测到的磁序与晶体结构降低的对称性联系起来。
• 将实验数据与自旋旋涡晶格序的理论模型进行比较，重点关注刺猬构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在空穴掺杂的铁基超导体中实验识别出难以捉摸的自旋旋涡晶格（SVC）序？
• RQ2 CaKFe4As4中晶体对称性的降低如何稳定SVC序的刺猬变体？
• RQ3 铁基超导体中竞争磁态之间的能量关系如何？这种关系如何影响超导配对？
• RQ4 简并磁态中的磁涨落在多大程度上促进高温超导电性？

主要发现

• 在镍和钴共掺杂的CaKFe4As4中观测到与刺猬自旋旋涡晶格（SVC）序一致的磁相，为这一奇异态提供了首个实验证据。
• SVC相由CaKFe4As4晶体结构的对称性降低所稳定，该效应解除简并性并偏好形成刺猬自旋纹理。
• 热力学与输运测量揭示了与明确磁相变一致的异常，表明存在长程磁序。
• 局域磁性探测（包括μ子自旋松弛）证实了具有类似涡旋晶格拓扑特征的非共线自旋结构的存在。
• 结果表明，铁基超导体中的多种磁基态具有极相近的能量，从而在磁涨落中形成巨大的态空间。
• 此类简并磁态的共存可能增强量子涨落，为高温超导电性提供一种机制。