[論文レビュー] Field theory for magnetic and lattice structure properties of Fe_{1+y}Te_{1-x}Se_x

Cenke Xu, Jiangping Hu|ArXiv.org|Mar 26, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓにおける磁気秩序および格子秩序を記述する一般化されたギンツブルグ＝ランダウ場理論を展開し、2つのイジング秩序パラメータを特定する。1つはネマチック性（1111系／122系で共通）を表し、もう1つは単位格子を2倍にし、反強磁性スピン密度波（SDW）秩序を安定化させる。理論は、この2番目のイジングパラメータを調整することで、反強磁性秩序と非反強磁性秩序の間の相転移が生じることを示し、フェルミ表面の位相構造に応じて、平均場的またはz=3の量子普遍性クラスに属する相転移が生じる。

ABSTRACT

We study the magnetism and lattice distortion of Fe_{1+y}Te_{1-x}Se_x with a general field theory formalism, motivated by recent neutron scattering experiments. Besides the Ising nematic order parameter which can be naturally defined in the 1111 and 122 materials, We show that the collinear order observed in $\mathrm{Fe_{1+y}Te}$ materials is stabilized by an extra Ising order parameter which doubles the generalized unit cell of the system. By tuning this Ising order parameter, one can drive a transition between collinear and noncollinear spin density wave orders, both of which are observed in the FeTe family. The nature of the quantum and classical phase transitions are also studied in this field theory formalism, with lattice strain tensor fluctuation considered.

研究の動機と目的

• 中性子散乱およびARPES実験に触発され、Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓにおける磁気的性質および格子歪みの一般化された場理論形式を構築すること。
• FeTeを基盤とする系で反強磁性スピン密度波（SDW）秩序が、単位格子を2倍にする追加のイジング秩序パラメータによって安定化されることを説明すること。
• SDW、ネマチック、格子秩序の各相の間の量子的および古典的相転移の性質を分析すること。
• フェルミ表面の位相構造（特にギャップあり／ギャップなしのフェルミ面）が、相転移の臨界性および動的指数zに与える影響を特定すること。
• セレンドーピング下でのイジング秩序の頑健性および超伝導との共存可能性を予測すること。

提案手法

• FeTe系におけるスピンおよび格子自由度のギンツブルグ＝ランダウ＝ヘーツ＝ミルズ場理論を定式化し、2つのイジング秩序パラメータΦ₁ ∼ φ₁·φ₃およびΦ₂ ∼ φ₂·φ₄を組み込む。
• 2次元有効ラグランジアンを用いて量子相転移をモデル化し、秩序パラメータのフラクチュエーションを含む項を導入：L = ∑ₐ(ω² + v²_σ q² + r₁)|σₐ|² + (ω² + v²_Φ q² + r₂)|Φ|² + f_Φ,σ Φ(σ₁² − σ₂²) + …
• r₁およびr₂を調整することで相転移を解析し、Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓにおけるSeドーピングに対応するrを用いる。
• 秩序パラメータをフェルミオンの粒子-hole励起状態に結合させ、Φ（零運動量）に対してL_Φ,d ∼ |ω|/q |Φ|²、σₐ（運動量を運ぶ）に対してL_σ,d ∼ |σ|² |ω|/q |σ|² のような崩壊項を導入する。
• 動的指数zに基づいて臨界定性的を分類：ギャップありの3次元イジング系ではz=2、ギャップなしの3次元XY系ではz=3、後者では1次相転移が生じる。
• 対称性解析により、基底状態でΦ₁Φ₂ < 0であることが示され、J₁-J₂-J₃模型においてエネルギー障壁は約J₁²/J₃のオーダーである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つのイジング秩序パラメータ（ネマチック性および単位格子2倍化）が、Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓにおける反強磁性スピン密度波秩序をどのように協同的に安定化させるか？
• RQ2 反強磁性秩序と非反強磁性秩序の間の量子的相転移の性質は何か？フェルミ表面の位相構造にどのように依存するか？
• RQ3 格子歪みのフラクチュエーションおよびフェルミオンの粒子-hole励起状態が、相転移の臨界的性質にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜイジング秩序はSeドーピング下でも反強磁性スピン密度波秩序よりも頑健であり、超伝導と共存可能なのか？
• RQ5 U(1)ゲージ自由度は、反強磁性秩序と同一平面秩序の間の相転移において果たす役割は何か？

主な発見

• FeTeにおける反強磁性SDW秩序は、反射対称性を破り、単位格子を2倍にする追加のイジング秩序パラメータ（Φ₁またはΦ₂）によって安定化される。これは1111系／122系におけるネマチックイジング秩序とは異なり、特徴的である。
• 反強磁性秩序と非反強磁性秩序の間の相転移は、2番目のイジングパラメータの調整によって駆動され、相図は競合する秩序パラメータを持つ2+1次元量子場理論に類似している。
• ギャップありフェルミ表面を有する系では、相転移は3次元イジング普遍性クラスに属し、z=2である。ギャップなしのフェルミ面を有する系では、Φラグランジアンに|ω|/qの項が寄与し、z=3に変化する。
• σₐがフェルミオンと結合することで、3次元イジング転移において有効な摂動が生じ、ギャップなしフェルミ面を有する系では1次相転移が生じる。
• 基底状態ではΦ₁Φ₂ < 0が好まれ、エネルギー障壁はJ₁²/J₃のオーダーであり、単斜晶格子歪みを示唆する対称性破れの傾向がある。
• イジング秩序はSDW秩序よりも広いドーピング範囲で生存すると予測され、超伝導と共存可能であり、偏光ARPESで検出可能である可能性がある。