[论文解读] Quantum oscillations in antiferromagnetic CaFe2As2 on the brink of superconductivity

N. Harrison, R. McDonald+4 more|ArXiv.org|Feb 9, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究在高磁场下报告了反铁磁性 CaFe2As2 中的量子振荡，揭示了一个占据布里渊区体积小于 0.05% 的小费米面口袋，与自旋密度波驱动的费米面重构一致。有效质量与口袋尺寸随反铁磁转变温度系统性变化，支持在压力诱导超导起始附近存在传统的自旋密度波机制。

ABSTRACT

We report quantum oscillation measurements on CaFe2As2 under strong magnetic fields- recently reported to become superconducting under pressures of as little as a kilobar. The largest observed carrier pocket occupies less than 0.05 % of the paramagnetic Brillouin zone volume- consistent with Fermi surface reconstruction caused by antiferromagnetism. On comparing several alkali earth AFe2As2 antiferromagnets (with A=Ca,Sr and Ba), the dependence of both the Fermi surface cross-sectional area F_alpha and the effective mass m*_alpha of the primary observed pocket on the antiferromagnetic/structural transition temperature T_s is found to be consistent with quasiparticles in a conventional spin-density wave model. These findings suggest that a conventional spin-density wave exists within close proximity to superconductivity in this series of compounds, which may have implications for the microscopic origin of unconventional pair formation.

研究动机与目标

• 通过强磁场下的量子振荡测量，确定 CaFe2As2 的费米面拓扑结构。
• 研究费米面特性在 AFe2As2 系列（A = Ca, Sr, Ba）中随反铁磁与结构相变温度的变化规律。
• 检验在压力诱导超导附近观测到的准粒子行为是否与传统的自旋密度波模型一致。
• 探讨晶格间距与压力诱导相变在调控铁砷基化合物中超导性的角色。

提出的方法

• 采用通过隧道二极管振荡器（TDO）实现的无接触电导率技术，检测肖伯尼科夫-德哈斯效应中的量子振荡。
• 测量在连接至 CaFe2As2 样品的五匝补偿线圈中，TDO 电路的磁质依赖共振频率偏移。
• 对 1/B 中的振荡数据进行傅里叶变换，以提取量子振荡频率 F_α 和 F_γ。
• 进行角度旋转依赖性测量（H||c 与旋转 H），以确认椭球形费米面口袋。
• 将温度依赖的振荡振幅拟合至利夫希茨-科谢维奇公式，以提取有效质量 m*。
• 对比 CaFe2As2、SrFe2As2 和 BaFe2As2 的费米面参数，评估其与 T_s 及超导临近性的趋势关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 CaFe2As2 在其反铁磁基态下的费米面拓扑结构如何？与其他 AFe2As2 化合物相比有何异同？
• RQ2 CaFe2As2 中主要口袋的有效质量与费米面横截面积如何随反铁磁转变温度 T_s 变化？
• RQ3 CaFe2As2 中的准粒子行为在多大程度上与传统的自旋密度波模型一致？
• RQ4 塌缩四面体相与晶格压缩在 CaFe2As2 压力诱导超导性中的作用是什么？
• RQ5 CaFe2As2 靠近超导性与费米面重构及自旋密度波物理之间的关系如何？

主要发现

• 主要量子振荡频率 F_α = 395 ± 10 T 对应于占据参数布里渊区体积小于 0.05% 的费米面口袋。
• 观测到第二个频率 F_γ = 95 ± 20 T，其在较高温度下可见度增加，归因于 F_α 的热抑制。
• CaFe2As2 中主要口袋的有效质量 m* 与 SrFe2As2 和 BaFe2As2 相当，F_α 对应的 m* ≈ 0.4m_e。
• 在 AFe2As2 系列中，F_α 和 m* 随 T_s 的依赖关系与传统自旋密度波模型定量一致。
• Ca 与 Sr 之间费米能增量 δE ≈ 4 ± 2 meV 与超导能隙增量 δΔ ≈ 4.5 meV 的良好一致性，符合自旋密度波预期。
• CaFe2As2 在压力下接近超导性，归因于其 FeAs 二聚层间距 c 较小，可能稳定塌缩四面体相，并在低压力下实现超导性。