[论文解读] Spin nematic susceptibility studied by inelastic neutron scattering in FeSe

Shin‐ichi Shamoto, K. Matsuoka+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射研究了FeSe中的自旋激发，发现在70–80 meV附近存在显著的能量依赖性谱重抑制，这与局域磁矩模型不一致。结果支持巡游电子图像，并表明90 K处的向列相变是由轨道自由度驱动，而非自旋涨落。

ABSTRACT

Mechanism of unconventional superconductivity in FeSe has been intensely scrutinized recently because of a variety of exotic properties unprecedented for other iron-based superconductors. A central unanswered question concerns the origin of the interaction that causes the nematic transition at $T_s=90\,K$ without accompanying magnetic order. Elucidating the nature of spin excitations in the normal state is a key to addressing this issue. Here we report, from inelastic neutron-scattering measurements in FeSe single crystals, that high-energy spin excitation spectra of FeSe exhibit characteristic energy dependence with missing intensity at around 70-80$\,$meV, which are very different from other iron-based superconductors. Despite of the strongest electron correlations among the iron-based superconductor family, the spectra are qualitatively at variance with the local moment model and can be essentially described by the itinerant electron picture. Moreover, the dynamical spin susceptibility above $T_s$ is only weakly temperature dependent, which is in stark contrast to the Curie-Weiss behavior of the electronic nematic susceptibility, suggesting that the nematic transition is not likely driven by spin but by orbital degrees of freedom.

研究动机与目标

• 为了理解FeSe正常态中自旋激发的本质，FeSe是研究非传统超导性的一个关键体系。
• 为了确定FeSe中90 K处的向列相变是由自旋涨落还是轨道自由度驱动。
• 为了检验局域磁矩模型与巡游电子模型在解释观测到的自旋激发谱方面是否有效。
• 为了比较FeSe中动力学自旋磁化率与电子向列磁化率的温度依赖性。

提出的方法

• 对高质量FeSe单晶进行了非弹性中子散射，以探测动态自旋结构因子。
• 测量了在不同能量和温度下的自旋激发谱，重点关注70–80 meV附近的区域。
• 分析了自旋谱权重的能量与温度依赖性，以评估其与局域磁矩行为的偏离程度。
• 将动力学自旋磁化率的温度演化与电子向列磁化率的Curie-Weiss类行为进行比较。
• 以巡游电子模型作为理论框架，解释观测到的谱特征。
• 评估了数据与基于自旋或轨道序参数模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe中的高能自旋激发具有何种本质，其与其它铁基超导体中的自旋激发有何不同？
• RQ2 观测到的FeSe自旋激发谱是否支持局域磁矩或巡游电子描述？
• RQ3 FeSe中动力学自旋磁化率的温度依赖性与电子向列磁化率的温度依赖性相比如何？
• RQ4 FeSe中90 K处的向列相变是由自旋涨落还是轨道自由度驱动？
• RQ5 70–80 meV处缺失的谱重能否由巡游电子模型解释？

主要发现

• FeSe中的高能自旋激发谱在70–80 meV附近表现出明显的强度抑制，这一特征在其它铁基超导体中并不存在。
• 观测到的自旋激发谱与局域磁矩模型不一致，反而与巡游电子图像的预测定性相符。
• FeSe中的动力学自旋磁化率在向列相变温度（Ts = 90 K）以上仅表现出微弱的温度依赖性，与电子向列磁化率的强Curie-Weiss类温度依赖性形成鲜明对比。
• 自旋磁化率的微弱温度依赖性表明，自旋涨落不太可能是驱动FeSe中向列相变的原因。
• 结果表明，FeSe中的向列序主要由轨道自由度驱动，而非磁相互作用。
• 尽管存在强电子关联效应，FeSe的自旋激发仍最宜用巡游框架描述，这挑战了其电子行为的传统解释。