[论文解读] Local antiferromagnetic correlations in the iron pnictide superconductors LaFeAsO{1-x}F{x} and Ca(Fe,Co)2As2 as seen via normal-state susceptibility

R. Klingeler, N. Leps+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2008

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究揭示，在铁砷化物超导体LaFeAsO₁₋ₓFₓ和Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂的正常态中，即使长程磁序被掺杂抑制且超导性出现后，局域反铁磁（AFM）关联依然存在。通过温度依赖的磁化率和NMRKnight位移测量，作者证明了磁化率随温度线性增加且与掺杂无关，表明这些局域AFM涨落具有鲁棒性并持续存在于超导相中，暗示由预形成自旋单重态驱动的赝能隙态存在。

ABSTRACT

We have studied the interplay of magnetism and superconductivity in LaFeAsO$_{1-x}$F$_x$ and Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$. While antiferromagnetic spin density wave formation is suppressed and superconductivity evolves, all samples show a doping independent strong increase of the normal state susceptibility upon heating which appears a general feature of iron pnictides. The data provide evidence for robust local antiferromagnetic correlations persisting even in the superconducting regime of the phase diagram.

研究动机与目标

• 研究在长程反铁磁序被抑制后，铁砷化物超导体正常态中磁关联的持久性。
• 确定局域反铁磁涨落是否在超导区域能够存活，特别是针对LaFeAsO₁₋ₓFₓ，其表现出无磁序或结构序的均匀超导性。
• 确定磁化率的温度依赖性是否反映本征电子性质，而非磁杂质等外部效应。
• 在广泛掺杂范围内比较LaFeAsO₁₋ₓFₓ与Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂的磁化率行为，以评估所观察效应的普适性。
• 阐明磁化率异常温度依赖性的本质，特别是其随温度线性增加的特性，及其对电子配对机制的启示。

提出的方法

• 使用SQUID磁力计在1 T和2 mT磁场下测量LaFeAsO₁₋ₓFₓ（x = 0.05–0.15）和Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x = 0.045–0.125）单晶的静态磁化率χ = M/B。
• 利用取向粉末样品的NMRKnight位移测量，确认所观测磁化率响应的本征性，并排除磁杂质的贡献。
• 分析正常态中χ(T)的温度依赖性，重点关注其随温度线性增加的特性，并与未掺杂母相数据进行比较。
• 应用理论模型，包括二维受挫海森堡模型和巡游费米液体方法，以解释观测到的χ(T)行为，并将其与局域AFM关联或预形成自旋单重态联系起来。
• 使用X射线衍射和WDX能谱分析确认样品纯度和相组成，杂质含量低于3%。
• 通过磁化率、电阻率、μSR和NMR等互补表征手段，确认超导转变温度并排除长程磁序的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长程磁序被抑制后，局域反铁磁关联是否在超导铁砷化物的正常态中持续存在？
• RQ2 观测到的磁化率随温度线性增加是否具有本征性且与掺杂无关，表明存在普遍的电子机制？
• RQ3 这种异常χ(T)行为能否由预形成自旋单重态或局域AFM涨落而非长程序来解释？
• RQ4 LaFeAsO₁₋ₓFₓ中的磁化率行为与Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂相比如何？这对其效应普适性有何启示？
• RQ5 所观测到的磁化率增加与超导性的出现之间存在何种关系，特别是在无磁序的情况下？

主要发现

• 在LaFeAsO₁₋ₓFₓ（x ≥ 0.05）和Ca(Fe₁₋ₓCoₓ)₂As₂（x ≥ 0.045）中，正常态磁化率χ(T)随温度线性增加，且该斜率在整个研究范围内与掺杂水平无关。
• 即使在超导态中，这种与掺杂无关的χ(T)线性增加行为依然可观测，表明局域反铁磁关联在长程磁序被抑制后依然持续存在。
• NMRKnight位移测量证实了磁化率响应的本征性，排除了磁杂质或铁磁非均质性的贡献。
• 所观测行为与局域反铁磁涨落或预形成自旋单重态的理论模型一致，特别是二维受挫海森堡模型和具有非解析自旋磁化率的巡游费米液体方法。
• 该数据首次提供了铁砷化物正常态中与掺杂无关的赝能隙行为的实验证据，且在整个掺杂范围内呈现普遍的线性χ(T)依赖关系。
• 结果表明，局域反铁磁关联是铁砷化物的普遍特征，可能在高温超导机制中发挥关键作用，即使在缺乏长程序的情况下亦然。