[论文解读] Suppression of low-energy longitudinal spin-excitations in Co-underdoped BaFe2As2

F. Waßer, C.H. Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 37被引用 5

一句话总结

本研究利用极化非弹性中子散射研究钴掺杂不足的BaFe2As2中的磁激发，揭示了由于反铁磁序产生的大自旋能隙，导致低能纵向自旋涨落强烈抑制。该抑制程度超过超导能隙的两倍，解释了Tc的降低，并表明反铁磁性与超导性在局域范围内共存，且在超导态中仅在横向自旋通道中出现两个各向异性的共振模式。

ABSTRACT

Polarized inelastic neutron scattering experiments were performed to study magnetic excitations in the normal and superconducting phases of Co-underdoped BaFe$_2$As$_2$, which exhibits coexistence of antiferromagnetic order and superconductivity. In the normal state the antiferromagnetic order results in broadened spin gaps opening in all three spin directions that are reminiscent of the magnetic response in pure antiferromagnetic BaFe$_2$As$_2$. In particular longitudinal excitations exhibit a large gap. In the superconducting state we find two distinct resonance excitations, which both are anisotropic in spin-space, and which both do not appear in the longitudinal polarization channel. This behavior contrasts to previous polarized neutron results on samples near optimum or higher doping. The gap in the longitudinal fluctuations arising from the antiferromagnetic order seems to be sufficiently larger than twice the superconducting gap to suppress any interplay with the superconducting state. This suppressed low-energy weight of longitudinal fluctuations can explain the reduced superconducting transition temperature in underdoped BaFe$_2$As$_2$ and indicates that the coexistence of antiferromagnetism and superconductivity occurs locally.

研究动机与目标

• 理解掺杂不足的铁基超导体中反铁磁序与超导性之间的相互作用。
• 确定超导性与反铁磁性是微观共存还是相分离。
• 研究超导态中磁共振的自旋空间各向异性。
• 阐明纵向自旋涨落在抑制超导转变温度中的作用。
• 将掺杂不足的Ba(Fe0.955Co0.045)2As2的磁激发谱与最佳掺杂体系进行比较。

提出的方法

• 在反铁磁转变温度和超导转变温度以上及以下，对钴掺杂不足的BaFe2As2进行了极化非弹性中子散射（INS）测量。
• 通过几何因子校正和背景扣除，提取了磁动态响应函数分量χ′′_long、χ′′_t-in和χ′′_t-out。
• 使用对数正态分布对每个自旋通道的谱权重和能量依赖性进行拟合。
• 分析SFz和SFy通道中散射强度的l依赖性，以确定纵向与横向分量的相对贡献。
• 计算比值p = χ′′_long / (χ′′_long + χ′′_t-out)以量化纵向涨落的抑制程度。
• 对1.5 K下的谱线进行联合拟合，以提取不同自旋通道中的共振能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何钴掺杂不足的BaFe2As2中Tc低于最佳掺杂体系？
• RQ2 在超导态中纵向自旋涨落是否仍保持活跃，它们如何与超导能隙耦合？
• RQ3 在超导态中观察到的两个共振模式的各向异性特征由何原因引起？
• RQ4 大反铁磁自旋能隙的存在如何影响超导态中的磁响应？
• RQ5 在掺杂不足的BaFe2As2中，反铁磁性与超导性是局域共存还是相分离？

主要发现

• 在正常态中，纵向自旋通道表现出大自旋能隙，其大小超过超导能隙的两倍（2Δ ≈ 8 meV），表明纵向涨落受到强烈抑制。
• 在超导态中，低于约8 meV的能量范围内，纵向涨落仍完全被抑制，SFz通道中无检测到信号。
• 在超导态中出现两个不同的各向异性共振模式：一个在t-in通道中能量为4.7 meV，另一个在t-out通道中能量为5.9 meV。
• 共振中完全不存在纵向分量（p ≈ 0），与最佳掺杂样品中可观测到的显著纵向分量（p ≈ 0.28）形成鲜明对比。
• 低能纵向涨落的抑制解释了掺杂不足的BaFe2As2中Tc降低的原因，因为这些涨落无法贡献于降低交换能。
• 结果支持反铁磁性与超导性的局域共存，即磁序与超导配对在微观尺度上共存而无相分离。