[論文レビュー] Magnetic properties and pairing tendencies of the iron-based superconducting ladder BaFe$_2$S$_3$: combined ab initio and density matrix renormalization group study

Niravkumar D. Patel, Alberto Nocera+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算と密度行列密度行列縮約法（DMRG）を組み合わせて、鉄系超伝導性ラダーであるBaFe₂S₃の二軌道 Hubbard モデルを導出する。穴ドーピングにより強い結合状態で対形成が起こり、穴対は反強磁性相関を通じて形成されることが明らかになった。また、軌道選択的モット相の挙動を示し、銅酸化物ラダーと類似したメカニズムによる超伝導性の可能性を示唆する。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity under high pressure in the two-leg ladder compound BaFe$_2$S$_3$ [H. Takahashi et al., Nature Materials 14, 1008 (2015)] opens a broad avenue of research, because it represents the first report of pairing tendencies in a quasi one-dimensional iron-based high critical temperature superconductor. Similarly as in the case of the cuprates, ladders and chains can be far more accurately studied using many-body techniques and model Hamiltonians than their layered counterparts, particularly if several orbitals are active. In this publication, we derive a two-orbital Hubbard model from first principles that describes individual ladders of BaFe$_2$S$_3$. The model is studied with the density matrix renormalization group. These first reported results are exciting for two reasons: (i) at half-filling, ferromagnetic order emerges as the dominant magnetic pattern along the rungs of the ladder, and antiferromagnetic order along the legs, in excellent agreement with neutron experiments; (ii) pairs form in the strong coupling regime, as found by studying the binding energy of two holes doped on the half-filled system. In addition, Orbital Selective Mott Phase characteristics develop with doping, with only one Wannier orbital receiving the hole carriers while the other remains half-filled. These results suggest that the analysis of models for iron-based two-leg ladders could clarify the origin of pairing tendencies and other exotic properties of iron-based high critical temperature superconductors.

研究の動機と目的

• 新しく発見された高圧超伝導体 BaFe₂S₃ の磁気的および対形成メカニズムを理解すること。これは準一次元的鉄系ラダーである。
• BaFe₂S₃ の電子構造を捉える実際的な二軌道 Hubbard モデルを第一原理から導出すること。
• 強相関理論的手法を用いて、この系における磁気秩序、電子相関、および超伝導対形成傾向の相乗的相互作用を調査すること。
• 反強磁性揺らぎが二軌道モデルにおいて穴対形成を媒介できるかどうか、銅酸化物ラダーのメカニズムに類似しているかを検証すること。
• 実際の鉄系ラダーのモデルにおいて、穴ドーピング下での軌道選択的モット相の出現を調査すること。

提案手法

• 第一原理計算を用いて、最近接以外の hopping 項を含めた BaFe₂S₃ の電子構造から二軌道 Hubbard モデルを導出する。
• 導出されたモデルを、有限サイズのクラスター（8×2）上で密度行列縮約法（DMRG）を用いて強相関を扱う。
• 中性子散乱実験データと比較するため、磁気秩序パラメータおよびスピン構造因子を計算する。
• 強い結合状態における対形成傾向を調べるため、2つのドーピングされた穴の結合エネルギーを計算する。
• 軌道別穴密度およびスピン相関を分析して、軌道選択的モット相の特徴を検出する。
• ドーピングされた穴対の波動関数を分析し、対称性および空間的相関（ラダーおよび対角プラケット構造を含む）を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理から導出された二軌道 Hubbard モデルは、BaFe₂S₃ で実験的に観測された磁気秩序を再現するか？
• RQ2 ドーピング系における反強磁性揺らぎが、穴対の形成を引き起こす可能性があるか、すなわち対形成メカニズムとなるか？
• RQ3 ドーピング状態における軌道選択性の役割は何か？ これは軌道選択的モット相の形成を示唆するか？
• RQ4 ラダーモデルの強い結合状態において、スピン相関および穴対配置はどのように変化するか？
• RQ5 銅酸化物二腿ラダーのメカニズムに類似したものであると一致する、ドーピング系における対形成の証拠はあるか？

主な発見

• 半分満たされた系では、ラダー方向に反強磁性的であり、腿方向に強磁性的ラダー秩序を示し、中性子回折実験と非常に良好に一致する。
• 穴ドーピングにより、2つの穴の間に顕著な結合エネルギーが観測され、強い結合状態で穴対が形成されることを示している。
• 2つの Wannier 軌道のうち、1つのみがドーピングで占有され、軌道選択的モット相の出現を示唆している。
• 穴対は主に反強磁性相関を通じて形成され、鉄のプラケットのラダーおよび対角配置で主要な対形成構成が支配的である。
• 波動関数解析により、2つの穴が腿間を振動しており、穴の両側に反強磁性的スピン相関が働くことで、スピン揺らぎ駆動の対形成メカニズムが支持される。
• 結果として、二軌道ラダーにおける反強磁性揺らぎが超伝導性を媒介できることを示し、鉄系超伝導体の妥当なメカニズムを提供する。