[論文レビュー] Magnetic interactions in FeSe studied by first principle calculations

Shuai Wang, Fa Wang|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いてモノレイヤーおよびバルクFeSeにおける磁気的相互作用を調査し、格子定数の増大がモノレイヤーFeSeにおいて反強磁性ペア・シューティング（PAFM）秩序からストライプ・コリネア（CAF）秩序への転移を引き起こすことを明らかにした。一方、バルクFeSeは構造的再配置を伴う場合にのみPAFM秩序をとる。J₁–J₂–K₁モデルのフィッティングにより、強いフラストレーションを示す磁気的相互作用が得られ、格子拡張に伴いわずかに増大する傾向にあり、これはFeSe/SrTiO₃ヘテロ構造における超伝導転移温度の向上に磁気秩序が関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Based on first principle calculations we have investigated the evolution of magnetism in free-standing monolayer FeSe with respect to lattice constant and magnetism in bulk FeSe. The computational results show that the magnetic order in free-standing monolayer FeSe will change from anti-ferromagnetic pair-checkboard order to stripe collinear order along with enlarging lattice constant. The magnetic order in bulk FeSe will change from stripe collinear order to anti-ferromagnetic pair-checkboard order only if structure reconstruction is allowed. We use J$_1$-J$_2$-K$_1$ model to fit the calculated total energies of different magnetic orders to study magnetic interaction strengths in FeSe. The fitting results of J$_1$-J$_2$-K$_1$ indicate that magnetic interactions in FeSe are quite strong and highly frustrated, and increase slowly with enlarging lattice parameter.

研究の動機と目的

• テネイルストレイン（格子定数の変化による）がモノレイヤーFeSeにおける磁気的性質に与える影響を再評価すること。
• FeSeにおける磁気的相互作用強度に関する先行研究の不一致を解消すること。
• 構造的再配置を許容した場合に、バルクFeSeにおける磁気秩序がストライプ・コリネア秩序からペア・シューティング秩序へ転移するかどうかを特定すること。
• J₁–J₂–K₁モデルを用いて磁気的交換相互作用を定量的に評価し、超伝導転移温度Tcの向上に果たす役割を検証すること。

提案手法

• VASPを用いた非コリネア磁気計算、PAW擬ポテンシャルおよびGGA-PBE交換相関関数を用いる。
• 収束のための高密度kメッシュ（モノレイヤーでは24×24×1、バルクでは18×18×18）と500 eVの平面波カットオフを用いる。
• モノレイヤーFeSeにおける層間相互作用を分離するために15Åの真空層を含める。
• ネール秩序、コリネア秩序、スパイラル秩序、テトラヘドラル秩序、バイコリネア秩序、ペア・シューティング秩序の複数の磁気的状態における全エネルギーを体系的に計算する。
• 磁気モーメントサイズの変動を考慮した全エネルギーに基づき、J₁–J₂–K₁スピンハミルトニアンのパラメータをフィッティングする。
• フィッティングされたJ₁、J₂、K₁パラメータを用いて線形スピン波理論を適用し、中性子散乱と比較可能な磁振子分散を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由状態のモノレイヤーFeSeにおける磁気的基底状態は、格子定数の増大によってどのように変化するか？
• RQ2 構造的再配置を許容した場合に、バルクFeSeにどのような磁気秩序が現れるか？
• RQ3 FeSeにおける磁気的交換相互作用（J₁、J₂、K₁）は格子拡張にどのように依存するか？
• RQ4 FeSeにおける磁気的相互作用はどの程度フラストレーションを示しており、そのフラストレーションは長距離磁気秩序の欠如とどのように関連しているか？
• RQ5 バルクFeSeにおけるスピン波分散はJ₁–J₂–K₁モデルから予測可能か？また、BaFe₂As₂のような既知の系と比較してどうなるか？

主な発見

• モノレイヤーFeSeは、格子定数が3.765 Åから4.045 Åに増大するに従い、反強磁性ペア・シューティング（PAFM）秩序からストライプ・コリネア（CAF）秩序へと転移する。
• バルクFeSeは構造的再配置が許容される場合にのみPAFM秩序を示すが、そうでない場合にはCAF秩序が基底状態のままである。
• J₁–J₂–K₁モデルのフィッティングにより、モノレイヤーおよびバルクFeSeの両方でJ₂/J₁比が約0.5に達することが判明し、強い磁気的フラストレーションを示している。
• 磁気的相互作用強度は格子定数の増大に伴いわずかに増大する傾向にあり、交換相互作用がひずみに対して弱い依存性を示している可能性を示唆している。
• CAF秩序下でのバルクFeSeにおけるスピン波分散は、BaFe₂As₂と比較してわずかに広いバンド幅を示しており、非弾性中性子散乱を用いた実験的検証が可能である。
• 本研究では、より高密度のkメッシュ、非コリネア状態の取り入れ、モーメントサイズ依存エネルギー補正を考慮することで、先行研究との不一致を解消した。