[論文レビュー] Emergent phases in iron pnictides: Double-Q antiferromagnetism, charge order and enhanced nematic correlations

Rong Yu, Ming Yi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、最適超伝導ドーピングに近い穴ドープ鉄pnict化物において、$C_4$対称性を持つ二重Q反強磁性秩序が$(\pi,\pi)$電荷秩序とともに出現し、ネミティック感受率が著しく増大することを提案する。$w$-拡張ギンツブルグ＝ランダウ理論を用いて、著者らはボトムメタル領域における量子臨界性の下でこの相が安定化されることを示し、122鉄pnict化物における最近のネミティック揺らぎと電荷秩序の実験的観測を説明する。

ABSTRACT

Electron correlations produce a rich phase diagram in the iron pnictides. Earlier theoretical studies on the correlation effect demonstrated how quantum fluctuations weaken and concurrently suppress a $C_2$-symmetric single-Q antiferromagnetic order and a nematic order. Here we examine the emergent phases near the quantum phase transition. For a $C_4$-symmetric collinear double-Q antiferromagnetic order, we show that it is accompanied by both a charge order and an enhanced nematic susceptibility. Our results provide understanding for several intriguing recent experiments in hole-doped iron arsenides, and bring out common physics that underlies the different magnetic phases of various iron-based superconductors.

研究の動機と目的

• 鉄pnict化物における量子臨界性に近い新規電子相の出現を理解すること。
• 穴ドープ122鉄pnict化物における二重Q反強磁性、電荷秩序、および増大するネミティック揺らぎの共存を説明すること。
• 特にスペクトル重み$w$を介した電子相関の役割、特に最適ドーピング付近での競合秩序の安定化を明確にすること。
• 鉄系超伝導体全体にわたる磁気秩序、電荷秩序、ネミティック秩序を結びつける統一的理論枠組みを提供すること。

提案手法

• ボトムメタル領域における電子相関効果をモデル化するため、ギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーの$w$-展開を用いる。ここで$w$は有効な局在的スペクトル重みを表す。
• $w$に関する摂動展開を容易にするために、正規化された有効電子演算子$c_{\mathbf{k}\alpha\sigma} = (1/\sqrt{w})d^{\text{coh}}_{\mathbf{k}\alpha\sigma}$を導入する。
• $C_4$格子対称性を尊重するように、磁気（二重Q）、電荷、ネミティックのカップリングされた秩序パラメータを含むギンツブルグ＝ランダウ作用を構築する。
• 分配関数の2次形式化と鞍点近似を用いて、秩序パラメータ揺らぎの縦方向および横方向伝播関数を導出する。
• 二重Q相における縦方向揺らぎからネミティック感受率$\chi^\text{tot}_\text{nem}$を計算し、パラメトリック相および単一Q相と比較する。
• 磁気秩序、電荷秩序、ネミティック秩序揺らぎの相互作用を、逆縦方向伝播関数行列$G^{-1}_{m,\sigma}$を用いて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重Q反強磁性秩序は、穴ドープ鉄pnict化物における電荷秩序およびネミティック揺らぎの出現にどのように寄与するか？
• RQ2 スペクトル重み$w$は、量子臨界性に近い$C_4$対称性を持つ二重Q相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 なぜ二重Q相では、パラメトリック相や単一Q相と比較してネミティック感受率が増大するのか？
• RQ4 $w$でパrameter化された量子揺らぎと電子相関は、磁気秩序、電荷秩序、ネミティック秩序の競合にどのように影響を与えるか？
• RQ5 統一的ギンツブルグ＝ランダウ枠組みは、最近の実験で観測された二重Q AF、電荷秩序、および増大するネミティック性の共存を説明できるか？

主な発見

• 二重Q反強磁性相は、ナトリウム/カリウムドーピングによる(Ba,Sr)Fe2As2における実験的観測と整合する$(\pi,\pi)$電荷秩序を有する。
• ネミティック感受率は、縦方向揺らぎのおかげで著しく増大し、$\chi^{\text{DQ},\text{tot}}_{\text{nem}} \sim \frac{N\pi}{c\nu_n}\arctan\left(\frac{\nu_n}{\sqrt{2\tilde{\lambda}}}\right)$と表され、パラメトリック相を上回る。
• 弱い磁気秩序領域でも、ネミティック感受率は横方向寄与と同等の大きさを示し、その増大が強く保たれている。
• 有効分散における$u_1 - u_2$および$\tilde{\lambda}$項の相互作用が、ネミティック揺らぎのエネルギースケールを低下させることに起因する。
• 理論は、$w$依存の量子揺らぎが、量子臨界性に近い領域で二重Q AF、電荷秩序、増大するネミティック性の共存を自然に説明できることを示している。
• 結果は、穴ドープ122鉄pnict化物における最近の実験的発見、特にネミティック揺らぎとせん断率の異常を統一的に説明する。