[論文レビュー] Itinerant spin fluctuations in iron-based superconductors

M. M. Korshunov|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、鉄系超伝導体におけるスピン揺動の相関的拡散理論を構築し、スピン揺動媒介対称性が非摂動的 $s_{\pm}$-波超伝導状態を生じることを示している。主な結果として、非弾性中性子散乱で観測された実験的スピン共鳴ピークが、間接的ギャップスケール $\tilde{\Delta} = \Delta_L + \Delta_S$ に一致しており、$s_{\pm}$ 対称性を確認するとともに、スピン揺動媒介対称性メカニズムを支持している。

ABSTRACT

Multiband systems, which possess a wide parameter space, allow to explore a variety of competing ground states. Bright examples are the Fe-based pnictides and chalcogenides, which demonstrate metallic, superconducting, and various magnetic phases. Here I discuss only one of the many interesting topics, namely, spin fluctuations in metallic multiband systems. I show how to calculate the effect of itinerant spin excitations on the electronic properties and formulate a theory of spin fluctuation-induced superconductivity. The superconducting state is unconventional and thus the system demonstrates unusual spin response with the spin resonance feature. I discuss its origin, consequences, and relation to experimental observations. Role of the spin-orbit coupling is specifically emphasized.

研究の動機と目的

• 金属的多バンド系におけるスピン揺動の理論的枠組みを構築すること、特に鉄系超伝導体に焦点を当てる。
• 相関的拡散モデルにおけるスピン揺動媒介対称性によって生じる非摂動的超伝導の起源を説明すること。
• 非弾性中性子散乱データにおける真のスピン共鳴ピークを特定する基準を確立すること。
• スピン軌道結合がスピン感受率成分およびスピン揺動ダイナミクスに与える影響を明確にすること。
• ARPES、アンドレーエフ分光法、および中性子散乱の実験的観測と理論的予測を統合的に結びつけること。

提案手法

• フェルミ準位近傍の電子状態を記述するため、運動エネルギーおよびハッブル型相互作用を含む五軌道モデルを構築する。
• 動的スピン感受率を計算するために、ランダム位相近似（RPA）を用い、集団的スピン励起状態を捉える。
• 2次図式を用いて電子の自己エネルギーおよび輸送係数を計算し、粒子-hole バブルの代わりにRPAスピン感受率を用いる。
• スピン揺動による準粒子散乱の異方性を分析し、電子およびホールのフェルミ表面シートの差異に特に注目する。
• 角運動量調和関数に沿ってコープル頂点を拡張し、相互作用パラメータの変化に伴う $s_{\pm}$、$d$-波、その他の対称状態の安定性を評価する。
• 超伝導状態におけるスピン共鳴のエネルギー閾値として、間接ギャップスケール $\tilde{\Delta} = \Delta_L + \Delta_S$ または $2\Delta_L$ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散的スピン揺動は、鉄系材料における非摂動的超伝導を駆動する役割を果たすか？
• RQ2 スピン軌道結合は、多バンド系におけるスピン感受率テンソルの異方性および構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非弾性中性子散乱で観測されたスピン共鳴ピークのエネルギーは、何によって決定されるか？
• RQ4 なぜ $s_{\pm}$-波対称状態が、大多数の鉄系超伝導体で $d$-波状態を上回るのか？
• RQ5 ARPES、アンドレーエフ分光法、および中性子散乱からの実験データは、同一のスピン揺動フレームワーク内で一貫して解釈可能か？

主な発見

• 大多数の鉄系超伝導体で非弾性中性子散乱により観測されたスピン共鳴ピークは、間接ギャップスケール $\tilde{\Delta} = \Delta_L + \Delta_S$ よりも低エネルギーに位置しており、これが真のスピン共鳴であることを確認している。
• $s_{\pm}$-波超伝導状態は、スピン揺動媒介対称性によって安定化され、ギャップ構造が $\tilde{\Delta}$ よりも低いエネルギーでスピン共鳴を生じさせることを示している。
• 電子およびホールのフェルミ表面ポケットが両方存在する場合、位相空間的性質およびシートの相対的体積の影響により、$s_{\pm}$ 状態は常に $d$-波状態を上回る。
• スピン揺動による準粒子散乱の異方性は、電子シートではホールシートよりも顕著であり、輸送特性に顕著な影響を及ぼす。
• スピン軌道結合は、スピン感受率の $xx$、$yy$、$zz$ 成分間に不均衡を生じさせ、スピン揺動スペクトルを複雑にするが、同時に豊かにする。
• 中性子散乱、ARPES、アンドレーエフ分光法からの実験的エネルギースケールは、理論的予測であるスピン共鳴が $\tilde{\Delta}$ で発生することと整合しており、スピン揺動対称性メカニズムを支持している。