非弾性中性子散乱で観測する鉄系超伝導体の3次元電子構造とマルチギャップ構造

Three-dimensional electronic structure and multiple superconducting gaps of BaKFeAs as seen via time-of-flight neutron spectroscopy

梶本 亮一  ; 古府 麻衣子   ; 河村 聖子   ; 鈴木 雄大*; 中島 正道*; 村井 直樹  

Kajimoto, Ryoichi; Kofu, Maiko; Kawamura, Seiko; Suzuki, Katsuhiro*; Nakajima, Masamichi*; Murai, Naoki

鉄系超伝導体のスピンダイナミクスは超伝導発現機構に重要な役割を果たすと考えられているが、その複雑な電子構造のため、実験的に得られた中性子散乱スペクトルの理解は容易ではない。本研究では、密度汎関数理論(DFT)から得られた有効模型を用いた理論解析を組み合わせることで、過去に行われた鉄系超伝導体の中性子散乱実験では見過ごされていた特徴的なスペクトル構造を報告する。主な結果は以下の2点である。(1)スピン揺らぎの3次元的変調構造122型と呼ばれる鉄系超伝導体を対象に非弾性中性子散乱実験を行い、磁気散乱強度の3次元的変調構造を観測した。モデル計算を用いることで、磁気散乱強度の変調周期はフェルミ面の面外方向のゆがみに対応することを示す。(2)中性子散乱スペクトルに現れるマルチギャップ性超伝導状態における鉄系超伝導体の磁気散乱スペクトルには、レゾナンスモードと呼ばれるピーク構造が現れる。我々はまず、鉄系超伝導体のようなマルチギャップ系においては、サイズの異なる複数の超伝導ギャップの存在を反映した複数のレゾナンスモードが生じ得ることをモデル計算を用いて示す。次に、高精度の中性子散乱実験を行うことで、理論的に予測される複数のレゾナンスモードが実際に観測可能であることを示す。本研究で得られた理論と実験の一致は、鉄系超伝導体の複雑なマルチバンド構造に対するプローブとしての中性子分光実験の有用性を示唆するものである。

The spin dynamics of iron-based superconductors is believed to play an essential role in the pairing mechanism, but realistic modeling of magnetic neutron scattering spectra in these materials remains challenging owing to their complex multi-band structure. Here we report the results of inelastic neutron scattering measurements of BaKFeAs that provide a benchmark of an ab-initio approach of the dynamical spin susceptibility. Our main results are two-fold. First, the magnetic neutron scattering response exhibits periodic intensity modulation along the out-of-plane direction. The observed periodicity corresponds to the out-of-plane warping of Fermi surfaces, revealing the importance of nesting in three-dimensional momentum space. Second, our careful measurements reveal the existence of the theoretically predicted multiple resonant modes that result from the multiple superconducting gaps. The agreement between theory and experiment in the present work highlights the potential of neutron spectroscopy to investigate the complex multi-band structure of iron-based superconductors.