[論文レビュー] Hidden antiferro-nematic order in Fe-based superconductor BaFe$_2$As$_2$ and NaFeAs above $T_S$

Seiichiro Onari, Hiroshi Kontani|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2019

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、鉄基超伝導体 BaFe$_2$As$_2$ および NaFeAs において、構造転移 $T_S$ よりも高い温度 $T^*$ で波数 $m{q} = (0,/pi)$ の隠れた反強磁性ネミック秩序が出現することを提案する。この秩序は、微小ではあるが有限なネミック性、準ギャップ、シャドウバンドを説明する。この秩序は、$d_{xy}$-ホールと電子ポケット間の軌道間ネストに起因し、スピン揺動の干渉によって駆動される。このメカニズムは、$T$-線形ネミック性と FeSe における $T^*$ の不在を自然に説明する。

ABSTRACT

In several Fe-based superconductors, slight $C_4$ symmetry breaking occurs at $T^*$, which is tens of Kelvin higher than the structural transition temperature $T_S$. In this "hidden" nematic state at $T_S

研究の動機と目的

• 構造転移 $T_S$ よりも高い温度で、微小な正方晶歪みを示すが、真の2次相転移が観測される鉄基超伝導体における隠れたネミック状態の長年の謎を解明すること。
• BaFe$_2$As$_2$ および NaFeAs で観測された $T$-線形ネミック性 $\psi \propto T^* - T$ の起源を説明すること。
• FeSe においては、提案されたメカニズムに必要な $d_{xy}$-軌道ホールポケットが存在しないため、$T^*$ が観測されない理由を明確にすること。
• 反強磁性結合（AFB）秩序に基づく単一の微視的メカニズムにより、準ギャップ、バンドフォールディング、ネミック性を統一的に説明すること。

提案手法

• 本研究では、BaFe$_2$As$_2$、NaFeAs、FeSe をシミュレートするため、調整可能なパrameter $r$ を持つ2次元8軌道 $d$-$p$ ハイブリッド Hubbard モデルを用いる。
• スピンおよびネミック感受率を計算するため、ランダム位相近似（RPA）およびダイナミカル・バーテックス（DW）近似を用い、$m{q} = (0,\pi)$ で顕著な揺動が支配的であることを特定する。
• AFB 順序パラメータは、反強磁性および強磁性スピン揺動の相互作用に起因し、$d_{xy}$-ホールポケットと電子ポケット間の軌道間ネストによって媒介される。
• DW方程式から微視的に AFB 順序の形因子を計算し、$k$-依存の対称性を持つペアリング相互作用を構築する。
• Eliashberg方程式を用いて、RPAおよびDW媒介相互作用を含めた超伝導ギャップ関数を解き、切断エネルギー $W_c = 0.02$ eV を用いる。
• クラスターダイナミカル平均場理論（CA）フレームワークにおいて理論を検証し、フェロ軌道秩序よりも AFB 秩序が支配的であることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFe$_2$As$_2$ および NaFeAs において、$T_S$ よりも高い温度で観測される隠れたネミック転移 $T^*$ の微視的起源は何か？ これは $T$-線形ネミック性を示す。
• RQ2 同様の電子的構造的特徴を持つにもかかわらず、FeSe では $T^*$ 転移が観測されないのはなぜか？
• RQ3 波数 $m{q} = (0,\pi)$ の反強磁性結合（AFB）秩序が、準ギャップ、バンドフォールディング、微小ネミック性の共存を説明するが、$T_S$ におけるフェロ軌道秩序を破壊しないのはなぜか？
• RQ4 $d_{xy}$-ホールポケットと電子ポケット間の軌道間ネストが AFB 秩序を駆動する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 AFB 揺動は $s_{++}$-波超伝導を媒介可能か？ そして、従来のスピン揺動ペアリング機構とはどのように異なるか？

主な発見

• 波数 $m{q} = (0,\pi)$ の反強磁性結合（AFB）秩序が $T^*$ で出現し、BaFe$_2$As$_2$ および NaFeAs における隠れたネミック転移を説明する。
• AFB 秩序は、$d_{xy}$-軌道ホールポケットと電子ポケット間の軌道間ネストに起因し、反強磁性および強磁性スピン揺動の干渉によって駆動される。
• AFB 秩序は状態密度に準ギャップを生じさせ、実験と整合する $T$-線形ネミック性 $\psi \propto T^* - T$ を誘導する。
• AFB 秩序とフェロ軌道（FO）秩序は、異なる軌道成分を持つため、$T_S$ で共存可能であり、$T^*$ におけるスピンおよびネミック感受率に強い異常が現れないことを説明する。
• AFB 揺動は、$m{q} = (0,\pi)$ で $\bar{I}^{\bm{q}} \sim 9$ eV の大きな引力的ペアリング相互作用を生じさせ、全ギャップ $s_{++}$-波超伝導状態をもたらす。
• このメカニズムは、$d_{xy}$-軌道ホールポケットが欠落する FeSe における $T^*$ の不在を説明する。