[论文解读] Itinerant Spin Excitations in SrFe2As2 Measured by Inelastic Neutron Scattering

R. A. Ewings, T. G. Perring+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射测量了SrFe2As2在整个布里渊区及高达260 meV的能量范围内的自旋激发，发现局域自旋矩模型（J1–J2模型）无法描述实验数据，而五带巡游平均场模型则能定量解释高能谱和Néel温度以上Q=(0.5,0.5)处无软模的现象。结果表明，电子向列序或轨道序并非解释磁响应所必需，支持巡游磁性作为主导描述。

ABSTRACT

We report inelastic neutron scattering measurements of the magnetic excitations in SrFe2As2, the parent of a family of iron-based superconductors. The data extend throughout the Brillouin zone and up to energies of ~260meV. An analysis with the local-moment J_1-J2 model implies very different in-plane nearest-neighbor exchange parameters along the $a$ and $b$ directions, both in the orthorhombic and tetragonal phases. However, the spectrum calculated from the J1-J2 model deviates significantly from our data. We show that the qualitative features that cannot be described by the J1-J2 model are readily explained by calculations from a 5-band itinerant mean-field model.

研究动机与目标

• 确定SrFe2As2中的磁相互作用在反铁磁态下是否表现出各向异性，如其他122型砷化物中所见。
• 研究自旋激发谱在Néel/结构相变温度T_N,s = 192 K以上升温时是否发生显著变化。
• 评估局域自旋矩描述（J1–J2模型）与巡游电子模型在解释观测到的磁激发方面的有效性。
• 澄清在顺磁相中Q=(0.5,0.5)处无软模是否需要额外的对称性破缺机制（如电子向列序或轨道序）。

提出的方法

• 在SrFe2As2单晶上进行了宽能量范围（5–260 meV）和整个二维布里渊区的非弹性中子散射（INS）测量。
• 在Néel/结构相变温度T_N,s = 192 K以下和以上测量了磁激发谱，以探测自旋动力学在相变附近的演化。
• 将实验数据与包含近邻（J1a, J1b）和次近邻（J2）交换相互作用以及单离子各向异性项的局域自旋矩J1–J2模型预测进行比较。
• 采用五带巡游平均场模型计算自旋激发谱，整合了巡游电子效应和自旋-轨道耦合。
• 应用线性自旋波理论并结合阻尼谐振子函数，以建模有限激发寿命并提取响应函数S^yy和S^zz。
• 使用中子散射截面形式S^αβ(Q,ω) = S_eff × (A_Q ± C - D_Q) / (ħω) × {n(ω)+1} × δ(ω - ω_α(Q))，结合阻尼项，对实验数据进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrFe2As2中的磁交换各向异性是否在T_N,s以上仍保持不变，如其他122型砷化物中所观察？
• RQ2 在顺磁四角相中，自旋激发谱是否在Q=(0.5,0.5)处表现出显著的软模，如局域自旋矩模型所预测？
• RQ3 J1–J2局域自旋矩模型在多大程度上能定量描述SrFe2As2中全动量和全能量分辨的INS数据？
• RQ4 五带巡游平均场模型是否能定量解释高能磁激发谱以及T_N,s以上无软模的现象？
• RQ5 T_N,s以上Q=(0.5,0.5)处无软模是否与巡游磁性一致，还是需要额外的对称性破缺机制（如电子向列序或轨道序）？

主要发现

• SrFe2As2中的高能磁激发谱在升温超过T_N,s后基本保持不变，未观察到显著软化或模式演化。
• J1–J2局域自旋矩模型无法定量描述实验数据，特别是顺磁相中Q=(0.5,0.5)处无软模的现象，需采用不一致的参数集。
• 五带巡游平均场模型成功解释了观测到的谱，包括高能色散关系和无软模现象，无需引入额外的对称性破缺序。
• 数据表明在Néel相变温度附近磁激发谱的形态无显著变化，表明自旋动力学具有鲁棒性，与巡游行为一致。
• 顺磁相中Q=(0.5,0.5)处无软模的现象可由巡游模型自然解释，无需引入电子向列序或轨道序等额外现象学机制。
• 结果挑战了传统的局域自旋矩图像，支持巡游电子效应在铁基超导体磁响应形成中的主导作用。