The superconductivity in LaFeAsOF with transition temperature (Tc) ~ 26 K was discovered by Kamihara et al. in 2008 [1]. Promoted by the discovery, material scientists one after another found several types of iron-pnictide superconductors having similar Fe and pnictide layers, such as Ba(Fe, Co)2As2, LiFeAs and Fe(Se,Te). A parent compound BaFe2As2 shows structural transition from tetragonal to orthorhombic symmetry and antiferromagnetic transition near T = 140 K [2]. By a variety of the parameters as electron- or hole-doping, pressure and homologous element substitution, the two transition are suppressed and superconductivity is induced [3]. In the almost all iron-pnictides superconductors, an antiferromagnetic phase is adjecent to the superconducting phase as in BaFe2As2. The conventional theory of phonon-mediated superconductivity has difficulty to explain the higher superconducting transition temperatures. Instead, magnetic fluctuation can be a candidate for the glue of electron cooper pairs [4, 5]. Therefore, to solve the mistery of the high Tc, the magnetic correlation in superconducting and the neighbour phase need to be specified. The suitable technique to measure magnetic fluctuation is the neutron scattering. In this study, doping dependence of antiferromagnetic correlation in the iron pnictide BaFe2As2 was investigated by neutron scattering. The study mainly consist of two topics: 1) Relation between antiferromagnetic fluctuation and superconductivity in Ba(Fe, Co)2As2. 2) Origin of normal state in-plane mangetic fluctuation anisotropy in Ba(Fe, Co)2As2.

In optimally electron-doped superconductor Ba(Fe0.94Co0.06)2As2, other groups found ahead of us that antiferromagnetic fluctuation is enhanced in the superconducting phase [6], and that the normal state antiferromagnetic fluctuation agrees with an itinerant spin fluctuation theory [7, 8]. These researches show that the superconductivity have something to do with the itinerant antiferromangetic fluctuation. But, without observation of fluctuation in neighboring non-superconductors, further discussion will be faced with difficulty. We investigated spin dynamics in single crystals by inelastic neutron scattering over the range from undoped to the overdoped regime in electron-doped Ba(Fe1-xCox )2As2 (x = 0, 0.06 and 0.24). Damped magnetic fluctuations in the paramagnetic state of the parent compound x = 0 that share a remarkable similarity with those in the normal state of the optimally doped compound x = 0.06. It is clear that trigger of the antiferromagnetic transition in the parent compound is not divergence of the spin fluctuation. If the trigger is removed, the flucuation will be kept in low temperature and superconductivity may emerge. For the heavily overdoped of nonsuperconducting compound x = 0.24 the magnetic scattering disappears, which could be attributed to the absence of a hole Fermi surface pocket observed by photoemission [9]. This indicate that the spin fluctuation originate from Fermi surface nesting between the electron and hole pockets.

In Ba(Fe0.935Co0.065)2As2, the low energy antiferromagnetic spin fluctuation measured by neutron scattering [10] shows different in-plane peak widths in the transversal and longitudinal directions even in the tetragonal normal state. Together with the anisotropic behavior observed in electronic resistivity, elastic constant, SI-STM, etc. [11], the anisotropic spin fluctuation spectra were sometimes referred to as an outcome of spontaneous rotational symmetry breaking into C2 due to spin or electronic nematicity. On the other hand, Park et al. [12] suggested that a proper Fermi surface nesting calculation with multi-band charactors can reproduce the spectra without accounting for those extra symmetry breaking origins. They also predicted that the in-plane anisotropy is smaller in the parent compound BaFe2As2. This is in striking contrast to the larger anisotropy expected for the nematic order. To clearify the origin of the in-plane anisotropy fluctuation, we investigated the doping dependence of the low energy spin fluctuation in the wide composition of Ba(Fe1-xCox )2As2 (x = 0, 0.045 and 0.06) crystals. Neutron scattering experiments were performed using ISSP-GPTAS installed at JRR-3 and HB-3 at HFIR. The final neutron energy was selected as Ef = 14.7 meV. The electron-doping and temperature dependence of the anisotropy was investigated by the longitudinal (Q // [110]) and transverse (Q // [110]) scans through the inelastic magnetic peak at Q = (1/2 1/2 0) and the energy transfer of 10 meV, and at Q = (3/2 3/2 0) and 28 meV in the normal states. From the measurements, three characteristic results were obtained. a) The anisotropy is larger in the doped (x = 0.045 and 0.06) compounds at T = 180 K, and just above the structural or superconducting transition temperatures, too. b) The anisotropy is larger at higher energies. c) The anisotropy is only weakly termperature dependent and is preserved even at high temperatures. a) and c) support the Fermi surface nesting picture. b) is at least different from the character of YBa2Cu3O6.45, which is thought be a nematic compound [13]. The results indicate that the in-plane anisotropy of the spin fluctuation is well explained by Fermi surface nesting picture with multi-band charactors

In addition to the main two topics, the study includes other research topics such as suppression of antiferromagnetism and structure transition in underdoped BaFe2(As, P)2, and magnetic excitation in BaFe2(As0.92P0.08)2. The peculiarity of this study is the measurements of doping dependence. By focusing the difference between the various doping levels, antiferromagnetic correlation in the iron pnictide BaFe2As2 was made clear by neutron scattering technique.

本論文では、近年高温での超伝導転移が見いだされ話題となっている鉄ニクタイド化合物が取り上げられている。本鉄系超伝導体の超伝導転移温度は銅酸化物超伝導体に次いで高く、その超伝導機構の解明が急務となっている。本超伝導では従来型の電子フォノン相互作用による超伝導機構は否定的な見方がされており、代わりに磁気ゆらぎや軌道ゆらぎによる超伝導機構が提案されている。さらに、本超伝導相には低濃度ドープ組成側に低対称構造相及び反強磁性相が隣接して存在している。この二相が安定化する原因を解明することも、超伝導機構の議論に欠かせない。本論文では、鉄ニクタイド化合物の一種であるBaFe2As2に焦点を当て、中性子散乱法を用いて磁気相関を詳細に研究し、前述の二問題の解決を目指している。本研究の結果、超伝導と磁気ゆらぎとの一定の関係が示されるとともに、電子ドープ物質Ba(Fe,Co)2As2の通常状態の反強磁性磁気ゆらぎが、幅広いドープ領域で多バンド特性を考慮に入れた正孔・電子フェルミ面間のネスティング描像に従うことが明らかにされた。さらに、本系母物質における反強磁性転移が一次転移であり、スピン軌道間相互作用(もしくはスピンとそれ以外の自由度との相互作用)により引き起こされることが示された。本論文は6章からなる。以下に各章の内容を概説する。

第1章では研究背景として、鉄系超伝導体の歴史とBaFe2As2の基礎特性、現在提案されている超伝導機構がまとめられている。

第2章では実験技術として、中性子散乱法とBaFe2As2単結晶育成法についてまとめられている。

第3章では電子ドープ物質Ba(Fe,Co)2As2の通常状態の磁気ゆらぎの研究結果が記述されている。これまで超伝導体組成における磁気ゆらぎの研究は盛んになされていたが、母物質や過剰ドープ物質においては研究がなされていなかった。本研究では、それらの組成を含む幅広いドープ領域において、主に常磁性・通常状態の磁気相関を単結晶試料を用いてhhl面内にて測定を行っている。その結果、まず超伝導状態で磁気ゆらぎが増強されることが確認されたが、超伝導機構を特定するには不十分であると議論がなされた。次に母物質と適正ドープ物質において反強磁性磁気相関が存在することを確認した上で、減衰係数の温度依存性が二物質で同一であることを発見している。母物質では磁気転移点直上で減衰係数が有限に残ることに注目し、本転移がスピンと他自由度との相互作用により引き起こされることを指摘している。適正ドープ物質では減衰係数が絶対零度で0に向かうことが示され、反強磁性磁気ゆらぎと超伝導との一定の関係が示される。さらに過剰ドープ物質では、反強磁性磁気相関が存在しないことが示されている。最後に、ドープ濃度依存性から、磁気相関の機構が正孔・電子フェルミ面間ネスティングであると結論された。

第4章では同一物質についてhk0面内での磁気相関異方性の研究結果が記述されている。超伝導相近傍で現れる本異方性の原因は、低対称構造転移及び反強磁性転移を引き起こす原因と同一の異方的相互作用である可能性があると考えられていた。もしそうであれば、異方的相互作用と超伝導との関連性が示され興味深い。本章では磁気相関異方性のドープ濃度依存性を通常相で測定することにより、異方性が磁気転移点近傍でも増強しないこと、母物質で異方性が小さいことを突き止めている。このことは、予想に反し本異方性の原因が前述の異方的相互作用と関係がないことを示唆している。この異方性は、多バンド特性を考慮に入れると、3章で述べられたフェルミ面間ネスティング描像の枠内で理解できることが示された。

第5章では同族元素置換物質BaFe2(As,P)2の秩序モーメントと結晶構造の置換量依存性及び高分解能X線回折による構造相転移点近傍での構造歪みの研究結果が記述されている。本置換物質では電荷量が変化せず超伝導が発現するため、超伝導に直接関係したパラメータを議論しやすい。本章では粉末及び単結晶中性子回折実験により秩序モーメントが置換に従い減少することを発見している。物理圧印加による超伝導発現との関係から、c軸方向への格子縮みが秩序モーメントの減少と本系の超伝導発現の鍵であると議論される。さらに、低濃度ドープ物質における格子歪みの詳細観察では、二次転移的な歪みが生じた後、より低温側で磁気秩序に関連するとみられる一次転移的な歪みが生じることが示される。この特徴的な結果から、磁気秩序の原因がスピン軌道相互作用であると議論される。

第6章では本研究の成果がまとめられている。

以上をまとめると、本論文は中性子散乱法を駆使することにより、BaFe2As2の磁気相関をドープ濃度依存性に焦点をあて微視的に解明しており、鉄ニクタイド化合物における超伝導機構及び磁気秩序の議論に有用な知見を与えている。審査会では、多バンド特性の議論が成立する為に必要なフェルミ面形状を明確にすること、超伝導相での磁気ゆらぎの特徴を明確にすることなどのコメントがあった。前者について、ドープに従い正孔・電子フェルミ面サイズの差が広がることで成立する強固な議論であり、今後の研究で現在提案されているフェルミ面形状に微細な修正が加えられても、議論は無効とならないことが示された。後者について、超伝導状態で磁気ゆらぎのエネルギー依存性は大きく変化するものの、面内波数依存性には変化がみられないことが示された。多数のグループが適正ドープ超伝導体における磁気相関の研究を行う中で、本論文はドープ濃度依存性に注目し、幅広い組成領域にわたり同一の測定条件下で磁気相関を測定することに成功し、俯瞰的かつ微視的な議論により、磁気相関の普遍的な起源を明らかにした点が独創的であると認められる。自ら巨大かつ純良な単結晶試料の育成を行う技術的優位性が、他に後れを取ることなく本研究を遂行することを可能にしたと言える。

よって本論文は物性科学・物理工学の発展に寄与するところ大であり、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。