[论文解读] Incommensurate itinerant antiferromagnetic excitations and spin resonance in the FeTe$_{0.6}$Se$_{0.4}$ superconductor

D. N. Argyriou, A. Hiess+9 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 24, 2009

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究报道了铁基超导体FeTe₀.₆Se₀.₄（Tc = 14 K）正常态中存在非公度、具有巡游电子特征的磁激发，其波矢为Q_inc = (1/2±ε, 1/2∓ε)，其中非公度参数ε = 0.09(1)。进入超导态后，仅低能谱区出现能隙和一个遵循正常态色散关系的自旋共振。基于扩展s(±)-波对称性的四带近自由电子模型可定性再现观测到的磁激发谱，为铁基超导体中自旋共振的起源提供了新见解。

ABSTRACT

We report on inelastic neutron scattering measurements that find incommensurate itinerant like magnetic excitations in the normal state of superconducting FeTe$_{0.6}$Se$_{0.4}$ (\Tc=14K) at wave-vector $\mathbf{Q}_{inc}=(1/2\pmε,1/2\mpε)$ with $ε$=0.09(1). In the superconducting state only the lower energy part of the spectrum shows significant changes by the formation of a gap and a magnetic resonance that follows the dispersion of the normal state excitations. We use a four band model to describe the Fermi surface topology of iron-based superconductors with the extended $s(\pm)$ symmetry and find that it qualitatively captures the salient features of these data.

研究动机与目标

• 研究典型铁基超导体FeTe₀.₆Se₀.₄（Tc = 14 K）在正常态与超导态下的磁激发特性。
• 确定观测到的非公度自旋涨落是否源于巡游电子自由度，而非局域磁性。
• 检验具有扩展s(±)-波超导配对参数的四带紧束缚模型是否能定量描述非弹性中子散射实验数据。
• 阐明自旋共振与基本电子结构之间的关系，尤其在巡游反铁磁涨落背景下的作用机制。

提出的方法

• 在2 K（超导态）和20 K（正常态）下对FeTe₀.₆Se₀.₄单晶进行了非弹性中子散射（INS）实验，以探测动态自旋结构因子S(Q,ω)。
• 在固定能量ω下对Q = (1/2, 1/2)进行等能扫描，利用高斯函数拟合数据以提取磁激发的位置与强度。
• 构建了四带紧束缚哈密顿量，以模拟铁基超导体的费米面拓扑结构，包括在折叠布里渊区Γ点处的空穴口袋和M点处的电子口袋。
• 利用随机相位近似（RPA）计算自旋响应，其中裸自旋极化率采用由单粒子格林函数与异常传播幅值导出的4×4矩阵形式。
• 有效相互作用采用带内与带间排斥项（U ≈ 0.13 eV，J = 0.05 eV），并通过自洽计算RPA自旋响应，以模拟动态自旋结构因子。
• 将理论结果与实验非弹性中子散射数据直接对比，包括非公度激发的色散关系以及超导态中自旋共振的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeTe₀.₆Se₀.₄中的磁激发是否如波矢Q_inc = (1/2±ε, 1/2∓ε)所示，具有非公度性与巡游电子特征，其中ε = 0.09(1)？
• RQ2 超导态如何改变磁激发谱，特别是能隙形成与自旋共振出现的机制？
• RQ3 具有扩展s(±)-波配对对称性的四带巡游电子模型能否定量再现FeTe₀.₆Se₀.₄中观测到的非公度自旋激发与自旋共振？
• RQ4 该体系中的自旋共振是否与s(±)-波超导体中由粒子-空穴束缚态形成的自旋激发模式一致？
• RQ5 FeTe₀.₆Se₀.₄中非公度嵌套波矢与超导配对对称性之间存在何种关系？

主要发现

• 非弹性中子散射揭示了FeTe₀.₆Se₀.₄正常态中在Q_inc = (1/2±0.09, 1/2∓0.09)处存在非公度磁激发，表明其为巡游电子特征的自旋涨落，而非局域磁性。
• 超导态在磁激发谱的低能区诱导出能隙，并出现一个遵循正常态激发色散关系的尖锐自旋共振峰。
• 具有扩展s(±)-波配对对称性的四带紧束缚模型成功再现了自旋激发的非公度特性与共振能量，与实验结果定性一致。
• 在正常态与超导态下计算得到的自旋极化率均表现出非公度响应，证实了电子结构中非公度性的稳健性。
• 自旋共振能量低于2Δ，与s(±)-波超导体的理论预期一致，即共振源于由序参量符号变化增强的粒子-空穴束缚态。
• 该模型支持FeTe₀.₆Se₀.₄中自旋共振源于与非公度自旋涨落相同的底层电子结构，为磁响应提供了统一的描述。