[论文解读] Low energy spin dynamics at the spin density wave transition in single crystal BaFe$_2$As$_2$: a $^{75}$As NMR study

S.-H. Baek, Tomasz Klimczuk+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2008

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究利用 $^{75}$As NMR 研究单晶 BaFe$_2$As$_2$ 中的自旋动力学，发现 Sn 杂质将自旋密度波转变温度从 138 K 降低至 85 K，并诱导出现一种至非公度磁序的二级相变。结果表明，杂质显著改变了低能自旋涨落，挑战了该体系本征磁行为的传统认知。

ABSTRACT

We report an $^{75}$As NMR study of BaFe$_2$As$_2$ in both single crystals and polycrystal forms. We find that Sn impurities in the single crystal dramatically alter the low energy spin fluctuations and suppress the ordering temperature from 138 K to 85 K. In contrast to Sn-free samples, we find that the temperature dependence of the $^{75}$As NMR spectra and spin lattice relaxation rates reveal a second order phase transition to a state of incommensurate magnetic order.

研究动机与目标

• 研究 Sn 杂质对单晶 BaFe$_2$As$_2$ 中自旋动力学的影响。
• 确定杂质如何影响自旋密度波转变温度和磁序参数。
• 利用 NMR 光谱学表征 Sn 掺杂与无 Sn 样品中的低能自旋涨落。
• 明确在存在杂质的情况下，BaFe$_2$As$_2$ 中的磁相变是否为二级相变。

提出的方法

• 对单晶和多晶 BaFe$_2$As$_2$ 样品进行 $^{75}$As NMR 测量。
• 分析温度依赖的 NMR 光谱，以探测局域电子环境和磁序。
• 测量自旋-晶格弛豫率（1/T₁）以获取低能自旋涨落的信息。
• 比较 Sn 掺杂与无 Sn 单晶样品的结果，以分离杂质的影响。
• 利用 1/T₁ 和光谱线形的温度依赖性来识别磁相变的本质。
• 应用标准 NMR 形式化方法处理四极核（如 $^{75}$As，I = 3/2）的弛豫和光谱数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sn 杂质如何影响 BaFe$_2$As$_2$ 中的自旋密度波转变温度？
• RQ2 Sn 杂质的存在是否诱导出至非公度磁序的二级相变？
• RQ3 Sn 掺杂与无 Sn 的 BaFe$_2$As$_2$ 单晶中，低能自旋涨落有何不同？
• RQ4 $^{75}$As NMR 揭示的 Sn 掺杂 BaFe$_2$As$_2$ 中的磁序本质是什么？
• RQ5 NMR 光谱和弛豫率如何反映非公度磁序的形成过程？

主要发现

• Sn 杂质将 BaFe$_2$As$_2$ 中的自旋密度波转变温度从 138 K 降低至 85 K。
• 在 Sn 掺杂样品中，$^{75}$As NMR 光谱和自旋-晶格弛豫率表明存在一种向非公度磁序的二级相变。
• Sn 掺杂样品中 1/T₁ 的温度依赖性和光谱线形与公度磁序不一致。
• 低能自旋涨落显著受到 Sn 杂质的影响，表明自旋动力学受到强烈散射或调制。
• NMR 光谱和弛豫率中未出现不连续性，支持 Sn 掺杂样品中相变为连续（二级）的结论。
• 结果表明，由于杂质效应，本征 BaFe$_2$As$_2$ 的磁行为可能与以往假设存在差异。