[论文解读] Resonant Spin Excitation in the High Temperature Superconductor Ba0.6K0.4Fe2As2

A. D. Christianson, E. A. Goremychkin+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 14被引用 247

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射，首次在铁砷化物超导体 Ba0.6K0.4Fe2As2 中提供了自旋共振激发的实验证据。该共振出现在约 14 meV 处，在 Tc = 38 K 时消失，并与超导能隙呈比例关系，强烈支持由自旋涨落耦合空穴和电子口袋所驱动的扩展 s±-波配对对称性。

ABSTRACT

The recent observations of superconductivity at temperatures up to 55K in compounds containing layers of iron arsenide have revealed a new class of high temperature superconductors that show striking similarities to the more familiar cuprates. In both series of compounds, the onset of superconductivity is associated with the suppression of magnetic order by doping holes and/or electrons into the band leading to theories in which magnetic fluctuations are either responsible for or strongly coupled to the superconducting order parameter. In the cuprates, theories of magnetic pairing have been invoked to explain the observation of a resonant magnetic excitation that scales in energy with the superconducting energy gap and is suppressed above the superconducting transition temperature, Tc. Such resonant excitations have been shown by inelastic neutron scattering to be a universal feature of the cuprate superconductors, and have even been observed in heavy fermion superconductors with much lower transition temperatures. In this paper, we show neutron scattering evidence of a resonant excitation in Ba0.6K0.4Fe2As2, which is a superconductor below 38K, at the momentum transfer associated with magnetic order in the undoped compound, BaFe2As2, and at an energy transfer that is consistent with scaling in other strongly correlated electron superconductors. As in the cuprates, the peak disappears at Tc providing the first experimental confirmation of a strong coupling of the magnetic fluctuation spectrum to the superconducting order parameter in the new iron arsenide superconductors.

研究动机与目标

• 研究铁基超导体 Ba0.6K0.4Fe2As2 中是否存在自旋共振激发。
• 确定动态磁化率是否表现出与高温超导体（如铜氧化物和重费米子体系）中观察到的类似超导关联的共振行为。
• 通过中子散射测量检验理论预测的扩展 s±-波配对对称性。
• 建立铁砷化物中共振能量与超导能隙参数之间的标度关系。

提出的方法

• 在多晶 Ba0.6K0.4Fe2As2 样品上进行非弹性中子散射实验，入射中子能量分别为 60 meV 和 15 meV。
• 在 Tc = 38 K 以上和以下的温度下测量磁激发谱，以检测自旋动力学的变化。
• 对动量和能量区域中围绕共振峰的强度进行积分，以评估其温度依赖性。
• 将观测到的共振能量和动量转移与母体化合物 BaFe2As2 的磁有序波矢进行比较。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）数据估算超导能隙 Δ₀ ≈ 12 meV，以与共振能量进行对比。
• 应用相干因子理论，将共振与配对对称性联系起来，特别是与空穴和电子口袋上符号相反的 s±-波配对有关。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba0.6K0.4Fe2As2 在 Tc 以下是否表现出动态磁化率中的自旋共振激发？
• RQ2 共振能量是否与超导能隙成比例，如在铜氧化物和重费米子体系中所观察到的那样？
• RQ3 共振的动量转移是否与母体化合物 BaFe2As2 的磁有序波矢一致？
• RQ4 所观测到的共振是否能通过在不同费米面片上具有符号相反能隙的扩展 s±-波配对对称性来解释？
• RQ5 共振强度的温度演化如何证实其与超导序参量的耦合？

主要发现

• 在 15 meV 处观测到自旋激发谱中一个尖锐的共振峰，其最大强度出现在 Q ≈ 1.15 Å⁻¹，与母体化合物 BaFe2As2 的磁有序波矢一致。
• 在 Tc = 38 K 时共振强度消失，证实其与超导序参量存在直接耦合。
• 共振能量 ω₀ ≈ 14 meV，对应 ω₀/2Δ₀ ≈ 0.58，与其它非传统超导体中观察到的标度关系一致。
• 共振能量约为 4.3 Tc，接近铜氧化物中常见的 5 Tc 标度，尽管 ω₀/2Δ₀ 比值略低。
• 该观测结果支持扩展 s±-波配对对称性，其中自旋涨落在连接符号相反能隙的空穴和电子口袋的 Q 矢量处被增强。
• 数据排除了简单的 d 波对称性，因为 ARPES 测量显示所有费米面片上的能隙均为各向同性，与 d 波节点不一致。