[論文レビュー] Is there a hidden chiral density-wave in the iron-based superconductors?

Rafael M. Fernandes, Steven A. Kivelson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、鉄系超伝導体において、特定の磁気的秩序状態—特にチェッカーライクな電荷・スピン密度波（CSDW）またはスピン・バーテックス結晶（SVC）—が二段階にわたって融解し、中間相として断片的秩序（vestigial order）を持つ相が形成され得ると提案している。CSDWの場合は電荷密度波（CDW）が、SVCの場合は新規のスピン・ヴェルトシティ密度波（SVDW）が中間相として現れる。SVDW相は空間反転を破るが時間反転対称性を保つベクトルスピンカイラリティを示す秩序パラメータを持ち、ゴールドストーンモードを有し、超伝導性の強化に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

Superconductivity in most iron pnictides and iron chalcogenides is found near an instability towards an orthorhombic stripe magnetic state. A remarkable property of the latter is that its melting into the tetragonal paramagnetic phase happens generally in two stages, resulting in a nematic paramagnetic phase that breaks the point-group symmetry. Recent experiments in hole-doped iron arsenides, however, revealed a magnetically ordered ground state that preserves tetragonal symmetry, which is likely either a checkerboard charge-and-spin density wave (CSDW) or a spin-vortex crystal (SVC). Here we show that either of these phases can also melt in two stages, resulting in an intermediate phase with vestigial order, namely: a charge density-wave (CDW) for a CSDW ground state, and a remarkable spin-vorticity density-wave (SVDW) for a SVC ground state. While the CDW has an Ising-like order parameter, the SVDW has a vector chiral order parameter that breaks inversion without breaking time-reversal symmetry, giving rise to Goldstone modes. We propose experimentally detectable signatures of these phases, and point out that their fluctuations can lead to an enhancement of the superconducting transition temperature.

研究の動機と目的

• テトラゴナル対称性を示す磁気的秩序状態を有する鉄系超伝導体における二段階融解転移の可能性を調査すること。
• このような転移が、特にスピン・ヴェルトシティ密度波（SVDW）秩序を有する中間相を生じるかどうかを検討すること。
• 特にベクトルスピンカイラリティを示す秩序パラメータを有するこの新規相の実験的検出可能性を特定すること。
• これらの相における揺動が、超伝導転移温度をどのように向上させるかを検討すること。

提案手法

• テトラゴナル対称性を有する鉄系超伝導体における可能な秩序パラメータを分類するため、対称性解析と有効場理論を用いる。
• CSDWおよびSVC状態の二段階融解をモデル化し、それぞれ中間相として断片的秩序を持つCDWおよびSVDWを形成する。
• 秩序パラメータの構造を分析する：CDWはアイゼン型のスカラー秩序パラメータを有するが、SVDWは空間反転を破るが時間反転対称性を保つベクトルスピンカイラリティを示す。
• ベクトルスピンカイラリティに伴う連続対称性の自発的破れにより、SVDW相にゴールドストーンモードが出現することを特定する。
• 有効アクションと対称性に許された結合項を導出し、中性子散乱、NMR、ARPESにおける観測可能なシグナチャーを予測する。
• 反縮重化群法または揺動交換アプローチを用いて、SVDWおよびCDWの揺動が超伝導ペアリングに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄系超伝導体におけるチェッカーライクな電荷・スピン密度波（CSDW）またはスピン・バーテックス結晶（SVC）の基底状態が、二段階にわたって融解し、断片的秩序を持つ中間相を形成できるか？
• RQ2 基底状態がスピン・バーテックス結晶（SVC）である場合、中間相における秩序パラメータの性質は何か？
• RQ3 SVCの融解によって生じる中間相が、空間反転を破るが時間反転対称性を保つベクトルスピンカイラリティを示す秩序パラメータを有するか？
• RQ4 提案されたスピン・ヴェルトシティ密度波（SVDW）相の実験的検出可能なシグナチャーは何か？
• RQ5 SVDWまたはCDW相の揺動が、鉄系超伝導体における超伝導転移温度を向上させ得るか？

主な発見

• CSDWおよびSVCの基底状態の両方において、二段階融解転移が可能であり、断片的秩序を持つ中間相が形成される。
• CSDW基底状態の場合、中間相はアイゼン型のスカラー秩序パラメータを有する電荷密度波（CDW）である。
• SVC基底状態の場合、中間相は空間反転対称性を破るが時間反転対称性を保つベクトルスピンカイラリティを示すスピン・ヴェルトシティ密度波（SVDW）である。
• SVDW相は、ベクトルスピンカイラリティに伴う連続対称性の自発的破れにより、ゴールドストーンモードを有する。
• SVDW相はスピンおよび軌道自由度において特徴的なキラルなテクスチャーを示し、円偏光中性子散乱またはNMRにより検出可能である可能性がある。
• SVDWおよびCDW相の揺動は、有効ペアリング相互作用を媒介することで、超伝導転移温度の向上に寄与する可能性がある。