[論文レビュー] First-principles investigation of effect of pressure on BaFe$_2$As$_2$

Wenhui Xie, Mingli Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、完全ポテンシャル線形化加重平面波法を用いた密度汎関数理論を用いて、BaFe₂As₂における圧力効果を第一原理的に調査した。結果として、ストライプ型反強磁性状態は13 GPaまで安定であり、6.4 GPaまで等方的圧縮率を示し、約6 GPaでフェルミ面の位相的転移が観察された。この転移は構造的変化と超伝導性の喪失と関連している。

ABSTRACT

On experimental side, BaFe$_2$As$_2$ without doping has been made superconducting by applying appropriate pressure (2-6 GPa). Here, we use a full-potential linearized augmented plane wave method within the density-functional theory to investigate the effect of pressure on its crystal structure, magnetic order, and electronic structure. Our calculations show that the striped antiferromagnetic order observed in experiment is stable against pressure up to 13 GPa. Calculated antiferromagnetic lattice parameters are in good agreements with experimental data, while calculations with nonmagnetic state underestimate Fe-As bond length and c-axis lattice constant. The effects of pressure on crystal structure and electronic structure are investigated for both the antiferromagnetic state and the nonmagnetic one. We find that the compressibility of the antiferromagnetic state is quite isotropic up to about 6.4 GPa. With increasing pressure, the FeAs$_4$ tetrahedra is hardly distorted. We observe a transition of Fermi surface topology in the striped antiferromagnetic state when the compression of volume is beyond 8% (or pressure 6 GPa), which corresponds to a large change of $c/a$ ratio. These first-principles results should be useful to understanding the antiferromagnetism and electronic states in the FeAs-based materials, and may have some useful implications to the superconductivity.

研究の動機と目的

• BaFe₂As₂における結晶構造、磁性、電子構造の圧力誘発的変化を理解すること。
• 反強磁性秩序が圧力下での構造的および電子的性質を決定する役割を明確化すること。
• 圧力下における超伝導性の起源とフェルミ面位相の関係を調査すること。
• スピン極化の重要性を評価するために、反強磁性状態と非磁性状態の予測を比較すること。
• 実験的観察された圧力誘発超伝導性および構造的転移を解釈する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）に基づき、完全ポテンシャル線形化加重平面波（FP-LAPW）法を用いた。
• 電子構造計算には、局所密度近似（LDA）および一般化勾配近似（GGA）を併用した。
• 電荷密度および原子力の収束基準を満たす自己無撞撃計算を実施した。
• 原子あたりの力が1 mRy/a.u.未満になるまで、内部パラメータz_Asを最適化した。
• ブリユアンゾーンの統合に、高密度のkポイントサンプリング（AFMでは500、NMでは≥1500）を用いた。
• 磁気的効果を分離するために、ストライプ型反強磁性状態と非磁性状態の結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力はBaFe₂As₂におけるストライプ型反強磁性秩序の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 スピン極化は圧力下での格子定数およびFe-As結合長にどのように寄与するか？
• RQ3 圧力下でフェルミ面の位相的転移が発生するか？もしそうならば、どの圧力で発生し、その理由は何か？
• RQ4 反強磁性状態と非磁性状態における結晶の圧縮率にはどのような差があるか？
• RQ5 c/a比の崩壊と超伝導性の発現または消失の間にどのような関係があるか？

主な発見

• ストライプ型反強磁性状態は13 GPaまで安定であり、計算された格子定数は実験データと極めて良好に一致した。
• 非磁性計算ではc軸格子定数およびFe-As結合長が過小評価され、実験値よりも小さいz_As値が得られた。
• 反強磁性状態では6.4 GPaまでほぼ等方的圧縮率を示したが、非磁性状態ではc軸方向の圧縮が顕著に強まった。
• 反強磁性状態ではFeAs₄四面体が圧力下でもほぼ変形せず、安定であった。
• フェルミ面の位相的転移は約6 GPa（または8%体積圧縮）で発生し、c/a比の顕著な変化と関連していた。
• この転移はc軸の軟化と関連しており、高圧域における超伝導性の喪失を説明できる可能性がある。