[論文レビュー] Interplay between tetragonal magnetic order, stripe magnetism, and superconductivity in iron-based materials

Jian Kang, Xiaoyu Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、鉄基超伝導体における強磁性状態（C₄）とストライプ状（C₂）スピン密度波（SDW）秩序、および超伝導性の相乗的相互作用が、移動電子フェルミオン模型によって一貫して説明可能であると提唱している。6次までのギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギー展開を用いて、C₄ SDW相が磁気転移温度Tₙに近い領域での競合的相互作用の結果としてのみ出現することを示し、T_cに二重の不連続的ジャンプが予測される。すなわち、C₄共存の開始点で低下し、C₄からC₂への転移で上昇する。これはBa₁₋ₓKₓFe₂As₂における実験的相図と完全に整合している。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments in Ba$_{1-x}$K$_{x}$Fe$_{2}$As$_{2}$ {[}A. E. Böhmer extit{et al}, to be published{]}, we analyze the type of spin-density wave (SDW) order in doped iron-pnictides and the discontinuities of the superconducting transition temperature $T_{c}$ in the coexistence phase with SDW magnetism. By tracking the magnetic transition line $T_{N}(x)$ towards optimal doping within an itinerant fermionic model, we find a sequence of transitions from the stripe-orthorhombic ($C_{2}$) SDW order to the tetragonal ($C_{4}$) order and then back to the $C_{2}$ order. We argue that the superconducting $T_{c}$ has two discontinuities -- it jumps to a smaller value upon entering the coexistence region with the $C_{4}$ magnetic phase, and then jumps to a larger value inside the SDW state when it crosses the boundary between the $C_{4}$ and $C_{2}$ SDW orders. The full agreement with the experimental phase diagram provides a strong indication that the itinerant approach is adequate to describe the physics of weakly/moderately doped iron-pnictides.

研究の動機と目的

• ドーピングされた鉄pnict化物、特にBa₁₋ₓKₓFe₂As₂における四角形（C₄）およびストライプ状（C₂）スピン密度波（SDW）秩序の共存を説明すること。
• C₄ SDW相の境界で観測された実験的T_cの不連続的変化を説明すること。
• 移動電子フェルミオン的アプローチが、特に狭いC₄ SDW領域とそのTₙに近い限定的領域への閉じ込めを定量的に記述できるかどうかを検証すること。
• 高次のギンツブルグ＝ランダウ項が、C₄相が磁気不安定性線付近でのみ安定化されることに果たす役割を分析すること。
• s±波超伝導性とSDW秩序の間の相互作用を、フェルミオン的相互作用から導かれた結合定数を用いて解明すること。

提案手法

• C₄およびs±波超伝導（SC）秩序パラメータのカップリングを含む、6次までのギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギー関数を導出する。
• GL自由エネルギーの4次までの展開を実施し、Tₙよりわずかに低い温度での磁気不安定性（C₄対C₂ SDW）の性質を特定する。
• GL展開を6次まで拡張し、より大きな磁気秩序パラメータがC₂相を有利にする理由を示し、C₄相の限られた広がりを説明する。
• 2ポケットモデルからのフェルミオン的グリーン関数と相互作用頂点を用いて、SCとSDW秩序パラメータ間の結合定数を計算する。
• s±波SCとSDW秩序パラメータ間の2次結合項の符号を分析し、T_cとTₙの交差点におけるT_cの不連続的低下を説明する。
• C₂+SC相とC₄+SC相のエネルギー差を評価し、C₄からC₂への転移におけるT_cの2番目の不連続的上昇を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ四角形（C₄）SDW相はBa₁₋ₓKₓFe₂As₂において最適ドーピングに近い狭いドーピング範囲でのみ現れるのか？
• RQ2 T_cに二重の不連続的ジャンプが観測される原因は何か。1つはC₄ SDW相と共存する領域の開始点であり、もう1つはC₄からC₂への転移点である。
• RQ3 穴および電子ポケットに近い移動電子フェルミオンの相互作用が、なぜ回転対称性を破るC₄ SDW秩序を安定化させるのか？
• RQ4 なぜC₄ SDW相は磁気転移温度Tₙの周辺に限定されており、秩序相全体にわたって広がらないのか？
• RQ5 ギンツブルグ＝ランダウ展開における高次（6次）項が、C₄対C₂ SDW相の安定性を決定する上で果たす役割は何か？

主な発見

• C₄ SDW相は、4次GL係数の符号変化により、Tₙの中間的値でのみ出現する。これは、低温および高温のTₙではC₂ SDWが有利であり、中間のTₙではC₄ SDWが有利になることを示唆する。
• C₄ SDW相は、GL展開における高次（6次）項が、より大きな磁気秩序パラメータでC₂相を有利にするため、Tₙの近傍に限定される。
• T_cは、s±波SCとSDW秩序パラメータの間の負の2次結合項のため、T_cとTₙの線が交差する点で不連続的に低下する。
• 共存領域内では、C₄からC₂へのSDW転移点でT_cが2度目の不連続的上昇を示し、これはC₂+SC相の自由エネルギーが低いために駆動される。
• s±波SCとSDW秩序パラメータ間の結合定数c_sは、C₄相領域を含む広いドーピング範囲で正のまま維持され、SCとSDWの強い競合関係を示している。
• 本モデルは、Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂の実験的相図のすべての主要特徴を再現しており、特に狭いC₄相領域と2つのT_c不連続的ジャンプを含む。これは、弱〜中程度ドーピングされた鉄pnict化物に対して、移動電子フェルミオン的アプローチの妥当性を裏付けている。