Itinerant spin dynamics in iron-based superconductors and cerium-based heavy-fermion antiferromagnets

Abstract

This thesis contains a comprehensive study of the spin excitations by inelastic neutron scattering (INS) in two different correlated electron systems: the alkali-metal iron selenide superconductors (FeSe122) A(x)Fe(2-y)Se(2) (A=K, Rb, Cs) and the heavy-fermion antiferromagnet CeB6. Both systems exhibit intense modes in their spin-fluctuation spectrum below their respective transition temperatures that can be derived from the spin dynamics of the itinerant quasiparticles. However, the implications of these observations, presented here, are different for each particular compound. The A(x)Fe(2-y)Se(2) superconductors, with a uniform Tc of 32 K, belong to a qualitative new family of superconductors. They possess a distinctly different Fermi surface compared to the iron-arsenide-based analogues XFe(2)As(2) (X=Ca, Sr, Ba). Instead of the central hole pockets at q=0 and the electron pockets at X(1/2 0), which are nested by the Q_afm = (1/2 0) vector, there exist only large electron pockets at the X point. Therefore, the magnetic instability along Q_afm that presumably provides the pairing glue for the superconductivity in the shape of spin fluctuations is absent in the FeSe122. The search for spin fluctuations by INS was motivated by a theoretical analysis that predicted their presence at an incommensurate wave vector near Q_sf = (1/2 1/4), which results from a quasinesting between the flat parts of the electron pockets. Two samples, namely Rb(0.8)Fe(1.6)Se(2) and K(0.77)Fe(1.85)Se(2), were prepared and both showed a sizable anisotropic magnetic response at Q_sf in the normal state. Furthermore, upon entering the superconducting (SC) state a strong excitation appears at E = 14 meV in the spectrum at Q_sf, which is referred to as magnetic resonant mode. This mode is interpreted as a bound spin-1 exciton below the SC charge gap. Its presence implies an unconventional order parameter, which changes the sign between the electron pockets. Moreover, it has a two-dimensional reciprocal-space structure, with an in-plane wave vector Q_sf that is independent of the composition. These results support the current understanding that all FeSe122 contain a unique SC phase with A(x)Fe(2)Se(2) stoichiometry and an alkali content of x = 0.36. This phase is embedded in a matrix of an insulating and strongly antiferromagnetic A(2)Fe(4)Se(5) phase, which explains the iron deficiency. Secondly, the spectral weight of the resonance peak and the suppression of the normal-state intensity towards small energies is similar to the phenomenology in underdoped cuprates, rendering this family stronger correlated than the FeSC analogues. CeB6 is considered as a dense Kondo system that exhibits a peculiar antiferroquadrupolar (AFQ) phase below T_Q = 3.2 K and an antiferromagnetic (AFM) phase below T_N = 2.3 K. Its magnetic phase diagram has been described by a purely localized multipolar mean-field model. However, reports on experimental studies in zero or low magnetic field provide a number of conflicting results that prevented a consistent description till now. In this thesis the spin excitations in the AFM and the AFQ state of CeB6 have been comprehensively mapped out in reciprocal space for the first time. Contrary to the expectations an intense and energetically sharp exciton mode appears at 0.5 meV below T_N, which is restricted to the AFQ wave vector R(½ ½ ½). This exciton is created, because a gap opens in the spin and charge excitation spectrum of the interacting heavy-fermion quasiparticles below T_N. This phenomenology is similar to the resonant modes in heavy-fermion superconductors below Tc. In addition, a strong ferromagnetic mode at 0.25 meV appears at the Gamma point below T_N, which broadly disperses across the Brillouin zone. Both the exciton and the ferromagnetic mode are thereby much more intense than the conventional spin waves associated with the AFM order. Both excitations transform into purely quasielastic intensity upon entering the AFQ phase above T_N, where the theoretically proposed multipolar excitations could not be detected. Therefore, the experimental observations here manifest an intriguing interplay of itinerant and localized quasiparticles, which renders the consideration of the heavy-fermion contribution to the magnetic properties as indispensable for the discussion of this model compound. Further elucidation of the exciton is provided by the study of its evolution upon application of a magnetic field and the substitution of the Ce3+ with non-magnetic La3+, which both suppress the AFM phase.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden der Magnetismus und die Spindynamik der Alkali-Eisenselenide (FeSe122) A(x)Fe(2-y)Se(2) (A = K, Rb, Cs) und der antiferromagnetische Schwerfermionenverbindung CeB6, welche zwei unterschiedliche korrelierte metallische Elektronensysteme darstellen, mittels inelastischer Neutronenstreuung untersucht. Beide Systeme zeigen unterhalb ihrer jeweiligen Übergangstemperatur intensive Anregungen im Spinfluktuationsspektrum, welche von den itineranten Quasiteilchen abgeleitet werden können. Jedoch ist die Schlussfolgerungen jeweils unterschiedlich. Die A(x)Fe(2-y)Se(2) Supraleiter (SL), welche ein einheitliches Tc von 32 K zeigen, bilden eine qualitativ neuartige Familie von Supraleitern. Sie besitzen eine deutlich verschiedene Fermifläche verglichen mit den strukturell verwandten Eisenarsenid-Supraleitern XFe(2)As(2) (X=Ca, Sr, Ba). Die Lochbänder bei q=0 fehlen und es liegen nur große Elektronenbänder bei X(½ 0) vor, so dass die Nesting Eigenschaft entlang Q=(½ 0), welche den Magnetismus und die möglicherweise Cooper-paarenden Spinfluktuationen erzeugt, hier nicht gegeben ist. Jedoch wurden Spinfluktuationen bei einem inkommensurablen Wellenvektor nahe Q_sf = (½ ¼) theoretische vorhergesagt, der sich von dem Quasinestingvektor der nahezu quadratischen Kontur der elektronischen Fermifläche ableiten lässt. Zwei Proben, Rb(0,8)Fe(1,6)Se(2) und K(0,77)Fe(1,85)Se(2), wurden präpariert und beide zeigen ein messbares anisotropisches magnetisches Signal bei Q_sf im Normalzustand. Weiterhin erscheint mit dem Übergang in die supraleitende Phase eine starke Anregung bei E = 14 meV, die als Resonanzmode bezeichnet wird. Jene wird als Spin-1 Exziton diskutiert, welche unterhalb der SL Ladungslücke liegt. Weiterhin impliziert dessen Existenz einen unkonventionellen Ordnungsparameter, welcher das Vorzeichen zwischen den Elektronenbändern wechselt. Die Struktur ist zweidimensional im reziproken Raum und die Position Q_sf ist unabhängig von der genauen Stöchiometrie. Dieses Ergebnis unterstützt die Auffassung, dass alle FeSe122 die gleiche einzigartige SL Phase enthalten, welche eine A(x)Fe(2)Se(2)-Stöchiometrie und einen Alkalimetallgehalt von x = 0,36 besitzt. Diese Phase ist in einer Matrix der isolierenden und stark antiferromagnetischen A(2)Fe(4)Se(5)-Verbindnung, eingebettet. Weitere experimentelle Resultate sind das große spektrale Gewicht der Resonanzmode, sowie die Unterdrückung der Intensität zu kleineren Energien im Normalzustand, die eher den Befunden für die Kuprate ähneln und möglicherweise stärkere Korrelationen für diese Familie der eisenbasierten SL aufzeigen. CeB6 ist ein dichtes Kondosysten, welches eine seltsame antiferroquadrupolare Ordnung (AFQ) mit Q_afq= (½ ½ ½) unterhalb T_Q = 3,2 K sowie eine antiferromagnetische Ordnung (AFM) unterhalb T_N = 2,3 K mit Q_afm= (¼ ¼ ½) zeigt. Das magnetische Phasendiagramm wurde bisher nur in einem rein lokalisierten multipolaren Mean-field Modell beschrieben. Jedoch gibt es eine Anzahl an experimentellen Studien im Nullfeld und im schwachen magnetischen Feld, die damit unvereinbar sind. In dieser Arbeit wird erstmalig eine umfangreiche Ausmessung der Q-Struktur von den Spinanregungen in beiden Phasen präsentiert. Entgegen der Erwartung wurde eine intensive und energetisch scharfe Exzitonmode bei E=0,5 meV unterhalb von T_N am AFQ Wellenvektor R(½ ½ ½) gefunden. Diese Mode ist ähnlich zu der Resonanzmode in den Schwerfermionen- und Hochtemperatursupraleitern mit der Ladungslücke verknüpft, die sich im Spektrum der Leitungselektronen unterhalb von T_N öffnet. Darüber hinaus wird eine ferromagnetische Mode bei E=0,25 meV beobachtet, welche über die gesamte Brillouin-Zone dispergiert. Das Exziton und die ferromagnetische Mode sind dabei viel intensiver als die konventionellen Spinwellen der AFM Ordnung. Ihre Intensitäten nehmen eine quasielastische Verteilung vs. Energie in der AFQ Phase oberhalb von T_N an. Jedoch konnten die theoretisch vorhergesagten multipolaren Anregungen nicht beobachtet werden. Die hier präsentierten experimentellen Ergebnisse verlangen daher nach einer Revision des vorherrschenden lokalisierten Modells des Magnetismus in CeB6, welches einerseits als Lehrbuchbeispiel für multipolare Phasen gilt, jedoch andererseits wesentlichen Beiträge der Schwerfermionen-Quasiteilchen vernachlässigt sowie die Spindynamik im Nullfeld nur unzureichend erklärt. Es wurde weiterhin die Abhängigkeit des Exzitons von einem externen magnetischen Feld sowie seine Änderung bei chemischer Verdünnung des Ce3+ mit nicht-magnetischen La3+ untersucht. Beide Parameter unterdrücken die AFM Phase, welche das Exziton beherbergt.