[論文レビュー] Quasiclassical theory of $C_4$-symmetric magnetic order in disordered multiband metals

Maxim Dzero, Maxim Khodas|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2020

Iron-based superconductors research参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、異常なフェルミ面を有する3バンドモデルを用いて、不規則で多バンド性を示す鉄系超伝導体におけるC4対称性（テトラゴナル）磁気秩序を研究するための準古典的理論を開発する。不規則性がバンド内散乱によって促進されることにより、C2対称性の単一-⃗Q状態よりも二重-⃗Qスピン密度波状態が安定化されることを示し、鉄pnict化物における実験的に観察されたテトラゴナル磁気相のメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Recent experimental studies performed in the normal state of iron-based superconductors have discovered the existence of the $C_4$-symmetric (tetragonal) itinerant magnetic state. This state can be described as a spin density wave with two distinct magnetic vectors ${\vec Q}_1$ and ${\vec Q}_2$. Given an itinerant nature of magnetism in iron-pnictides, we develop a quasiclassical theory of tetragonal magnetic order in disordered three-band metal with anisotropic band structure. Within our model we find that the $C_4$-symmetric magnetism competes with the $C_2$-symmetric state with a single ${\vec Q}$ magnetic structure vector. Our main results is that disorder promotes tetragonal magnetic state which is in agreement with earlier theoretical studies.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体におけるC4対称性磁気秩序の起源を理解すること、特に実験的に観察された二重-⃗Qスピン密度波状態に焦点を当てる。
• 不規則性が競合する磁気秩序状態の安定性に与える影響を調査すること—具体的には、C2対称性（単一-⃗Q）とC4対称性（二重-⃗Q）磁気秩序の間の競合を対象とする。
• 異方的バンド構造を有する不規則で多バンド性を示す金属に適用可能な準古典的フレームワークを構築すること—鉄pnict化物系に関連する。
• バンド内散乱とバンド間散乱の役割を、テトラゴナル磁気相の安定化に照らして明確化すること。

提案手法

• ホール的（Γ点）および電子的（XおよびY点）バンドを含む3バンドハミルトニアンを定式化し、パラメータδ0およびδ2を用いて異方的フェルミ面ネストを組み込む。
• 二つの異なる磁気的ベクトル⃗Q1および⃗Q2を有するスピン密度波項を導入し、Ising型磁化場mXおよびmYを用いてモデル化する。
• 単粒子エネルギーにわたる統合を施して準古典的近似を適用し、準古典的伝播関数および自己エネルギーの有効方程式を導出する。
• 自己エネルギー項を用いてバンド内散乱を導入し、バンド間散乱を無視することで、バンド内散乱が磁気秩序に与える影響を分離する。
• 自由エネルギーのランダウ展開を実施し、C2およびC4対称性磁気秩序状態の安定性を決定する。
• 変動する不規則性強度の下で、二つの磁気秩序状態の自由エネルギー寄与を比較するために、導出された自己無撞着方程式を数値的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多バンド金属において、バンド内不規則性はC2対称性の単一-⃗Q状態よりもC4対称性の二重-⃗Q磁気秩序状態の出現を促進するか？
• RQ2 フェルミ面の異方性（δ0およびδ2が制御する）は、異なる磁気秩序の間の競合にどのように影響するか？
• RQ3 バンド内散乱は、バンド間散乱と比較して、テトラゴナル磁気相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 準古典的形式主義は、多バンド系における不規則性と拡散磁性の相互作用をどのように捉えているか？
• RQ5 鉄系超伝導体における単一-⃗Q状態の実験的抑制は、バンド内不規則性のみで説明可能か？

主な発見

• バンド内不規則性は、C2対称性の単一-⃗Q状態よりもC4対称性の二重-⃗Q磁気秩序状態を促進する。これは鉄系超伝導体における実験的観察と整合的である。
• バンド間不規則性を無視しても、二重-⃗Q状態の安定化が生じることから、バンド内散乱のみで十分にテトラゴナル対称性が促進されることを示している。
• ランダウ自由エネルギー展開により、不規則性強度が増加するにつれて、特に異方的バンド構造が存在する場合に、二重-⃗Q状態がエネルギー的に有利になることが明らかになった。
• モデルは、不規則性下で単一-⃗Q状態の抑制と二重-⃗Q状態の増強を実験的に観察されたものと一致させ、テトラゴナル磁気相のメカニズムを支持する。
• 以前の理論的研究と一致しており、不規則性がC4対称性磁気秩序を favour することを示しており、この現象の準古典的基盤を提供する。
• 準古典的アプローチは、不規則で多バンド系における磁気秩序状態の競合を効果的に捉えており、鉄系材料における類似現象の研究に有効なフレームワークを提供する。