[論文レビュー] First-principles investigation of MnP magnetic states precursors of superconductivity under high pressure

Pietro Bonfà, Ifeanyi John Onuorah+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、静水圧下におけるMnPの磁気的基底状態を第一原理DFTを用いて調査し、GGAを用いたスピン極性密度汎関数理論により拡散磁性をモデル化している。研究では、b軸に沿ったB型ヘリカル（He-b）状態が超伝導性への主要な前身状態であると特定し、高圧下でも安定であることを確認した。これにより、高圧下の磁気相に関する矛盾する実験的解釈が解消された。

ABSTRACT

The discovery of a superconducting dome in the proximity of the magnetic to paramagnetic transition in the electronic phase diagram of MnP as a function of hydrostatic pressure has renewed the interest in the magnetic properties of this binary pnictide. Here we present an ab initio study obtained with Density Functional Theory (DFT) simulations as a function of pressure. We show that the itinerant-electron magnetism of MnP is well characterized by the mean-field Kohn-Sham method which correctly describes the ambient pressure magnetic states, the anomalous trend of the lattice parameters as a function of pressure and the critical pressure for the disappearance of the magnetic order. We are finally able to confirm the nature of the new helical structure observed at high pressure.

研究の動機と目的

• 超伝導性に先行するMnPの高圧磁気相の性質を解明すること。
• 観察された高圧相が、増大した伝搬ベクトルを有するヘリカル状態か、再配向したヘリカル構造かを特定すること。
• GGAを用いたDFTが、圧力下におけるMnPの拡散磁性を適切に記述できるかを検証すること。
• 超伝導ドーム付近における強磁性、A型反強磁性、およびヘリカル状態の競合状態を明確にすること。
• X線回折（XRD）、ミュオン自己放射線（μSR）、中性子散乱による実験的観測と理論的予測の間の不一致を解消すること。

提案手法

• 拡散電子磁性を記述するため、一般化勾配近似（GGA）を用いたスピン極性密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• Kohn-Sham平均場アプローチを用いて、静水圧下におけるMnPの拡散電子磁性を記述した。
• さまざまな圧力条件下で正方晶単位格子の完全な構造最適化を実施した。
• a軸、b軸、c軸に沿った伝搬ベクトルを有するヘリカル磁性状態を体系的に探索するため、非共線スピンスパイラル形式を適用した。
• さまざまな磁気的配置について、全ヘリカルエネルギーを圧力の関数として計算し、基底状態を同定した。
• Wangら（2015年）およびMatsudaら（2016年）の実験的格子定数および磁気転移データと照合して理論的予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導ドームに先行する高圧下におけるMnPの真の磁気的基底状態は何か？
• RQ2 ヘリカル磁性秩序の伝搬ベクトルは、圧力が上昇するに従ってどのように変化するか？
• RQ3 DFT-GGAアプローチは、MnPにおける拡散磁性および相転移を正確に記述できるか？
• RQ4 なぜ矛盾する実験報告が、高圧下で異なるヘリカル構造（He-c対 He-b）を示しているのか？
• RQ5 He-bヘリカル状態がFMおよびAFM-A状態とエネルギー的にデゲネレート（縮退）する臨界圧力は何か？

主な発見

• b軸に沿った伝搬ベクトルを有するHe-bヘリカル状態が高圧下で基底状態となり、Matsudaら（2016年）の提唱を裏付けた。
• q_c = 0.25 に増大したHe-cヘリカル状態は高圧下で不安定であり、Wangら（2015年）の解釈とは矛盾する。
• He-b相の安定化の臨界圧力は80 kbarと予測されたが、実験的推定値（約20 kbar）よりも高い。
• 80 kbarでFM状態はHe-bおよびAFM-A状態と縮退しており、超伝導性に近接する領域で強い磁気的競合が存在することが示された。
• DFT-GGAアプローチは、実験的格子定数の変化および磁気相転移を正確に再現した。
• 本研究により、高圧下の磁気的状態は低温のHe-c状態の単純な歪みではなく、スピンスパイラルがb軸に再配向した明確に異なる状態であることが確認された。