[論文レビュー] Electronic structure of Ni-doped EuRbFe$_4$As$_4$: Unique crystal field splitting and multiband RKKY interactions

Chenchao Xu, Qijin Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

第一原理的研究により、NiドープEuRbFe4As4において、特異な結晶場分裂がFe-3d_{z²}軌道をフェルミ準位に近づけ、これがRKKY相互作用の主な媒介体であることが明らかになった。Niドーピングによってd_{xz}/d_{yz}軌道の状態密度が強く抑制されても、RKKY相互作用はほぼ変化せず（約0.12 meV）、「超伝導性が抑制される中でも強磁性転移温度が安定である」現象を説明しており、Eu層の磁性を媒介するd_{z²}軌道の中心的役割が浮き彫りになった。

ABSTRACT

The relationship between magnetism and superconductivity has been one of the most discussed topics in iron-based superconductors. Using the first-principles calculations, we have studied the electronic structure of 1144-type iron-based superconductor EuRbFe$_4$As$_4$. We find the crystal field splitting of EuRbFe$_4$As$_4$ is unique, such that the $d_{z^2}$ orbitals are closer to the Fermi level $ε_F$ than the $d_{xy}$ orbitals. The RKKY interaction strength is estimated to be approximately 0.12 meV in prestine EuRbFe$_4$As$_4$. Upon Ni-doping on the Fe site, the RKKY interaction strength is barely changed upon Ni doping due to the highly anisotropic FSs and multiband effect, despite of the drastically reduced $d_{zx(y)}$ DOS at $ε_F$. Finally, in both pristine and doped compounds, the RKKY interaction is primarily mediated through bands due to Fe-$d_{z^2}$ orbitals.Our calculations suggest the RKKY interaction mediated by $d_{z^2}$ orbital is probably responsible for the magnetism in EuRbFe$_4$As$_4$ and doesn't change upon Ni-doping.

研究の動機と目的

• 1144型鉄基超伝導体であるEuRbFe4As4の電子構造および結晶場分裂を理解すること。
• EuRbFe4As4に見られる強磁性転移温度の頑健性とNiドーピングに対する不変性の起源を解明すること。
• 特にd_{z²}軌道が、Eu 4fスピン間のRKKY相互作用を媒介する役割を特定すること。
• 実験的に観察されたT_FMがNiドーピングに対してもほぼ一定である一方でT_scが急速に低下する現象を説明すること。

提案手法

• PBE-GGA汎関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算、k空間メッシュは12×12×3。
• 強磁性状態の計算において、局在的f電子を扱うためにEu 4f状態にHubbard U（7 eV）を導入。
• 44軌道（Fe-3d、As-4p、Eu-5d、Eu-4f）を用いた最大局在性Wannier関数を用いて、低エネルギー電子状態をモデル化したタイトビンド・ハミルトニアンを構築。
• 剛体バンドモデルおよび仮想晶格近似を用い、フェルミ面シートごとの分解を含めてRKKY相互作用強度を計算。
• 投影バンド構造およびWannier関数分解を用いて、フェルミ面、状態密度、軌道特性を分析。
• DFTの構造最適化による不自然な歪み（特にc軸およびAs原子高さ）を回避するため、実験的結晶構造を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜEuRbFe4As4においてd_{z²}軌道が、他の鉄基超伝導体とは異なりフェルミ準位に近いエネルギー準位にあるのか？
• RQ2 Niドーピングに対しても、なぜEuRbFe4As4の強磁性転移温度が頑健に保たれるのか？
• RQ3 Niドーピングは、Eu 4fスピン間のRKKY相互作用強度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どのFe-3d軌道とフェルミ面シートが、EuRbFe4As4におけるRKKY相互作用の主な媒介体か？
• RQ5 d_{xz}/d_{yz}軌道のフェルミ準位における状態密度が著しく低下する中で、なぜRKKY相互作用はほぼ変化しないのか？

主な発見

• EuRbFe4As4における結晶場分裂は特異的であり、Fe-3d_{z²}軌道がd_{xy}軌道よりもフェルミ準位に近い位置に位置しており、輸送および磁性においてより重要な役割を果たす。
• 純粋なEuRbFe4As4におけるRKKY相互作用強度は約0.12 meVであり、主にΓ点付近の外側のホールフェルミ面ポケットによって媒介されている。
• Niドーピングによってd_{xz}/d_{yz}軌道のフェルミ準位における状態密度が著しく低下しても、RKKY相互作用はほぼ変化せず、約0.1 meVのまま維持される。
• RKKY相互作用は主にFe-3d_{z²}軌道によって媒介されており、Niドーピング後も依然として活性で支配的である。
• RKKY相互作用の維持が、Niドーピングに対しても強磁性転移温度（T_FM）が安定である理由を説明しており、一方でd_{xz}/d_{yz}軌道の寄与が失われることで超伝導性が抑制される。
• この系は、d_{z²}バンドがd_{xz}/d_{yz}軌道とほぼ degenerate であり、未ドーピング状態でフェルミ準位に近い位置にあるため、Lifshitz転移に近い状態にあると判明した。