[論文レビュー] The distinct in-plane resistivity anisotropy in the nematic states of detwinned NaFeAs and FeTe single crystals: evidences for Hund's rule metal

Juan Jiang, C. He+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アンタゴニズムしたNaFeAsおよびFeTe単結晶における面内抵抗率異方性が明確に示された。NaFeAsでは反強磁性（AFM）方向に抵抗率が低く、FeTeではAFM方向に抵抗率が高い。逆転した挙動は、ハンズ則結合に起因する。NaFeAs（拡散的状態）では$J_H$が電子ネミック性およびバンド再構成を駆動するが、FeTe（局在的状態）では$J_H$が電子の跳躍を妨げる有効なポテンシャル障壁を形成し、マンガン酸化物における巨大磁気抵抗と類似する。この結果、ハンズ則結合が鉄系超伝導体における主要な相関機構であることが確立された。

ABSTRACT

The in-plane resistivity anisotropy has been studied with the Montgomery method on two detwinned parent compounds of the iron-based superconductors, NaFeAs and FeTe. For NaFeAs, the resistivity in the antiferromagnetic (AFM) direction is smaller than that in the ferromagnetic (FM) direction, similar to that observed in BaFe2As2 before. While for FeTe, the resistivity in the AFM direction is larger than that in the FM direction. We show that these two opposite resistivity anisotropy behaviors could be attributed to the strong Hund's rule coupling effects: while the iron pnictides are in the itinerant regime, where the Hund's rule coupling causes strong reconstruction and nematicity of the electronic structure; the FeTe is in the localized regime, where Hund's rule coupling makes hopping along the FM direction easier than along the AFMdirection, similar to the colossal magnetoresistance observed in some manganites.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体の親化合物、特にNaFeAsおよびFeTeの面内抵抗率異方性を調査すること。
• NaFeAs（AFM方向で抵抗率が低い）とFeTe（AFM方向で抵抗率が高い）の間で見られる抵抗率異方性の相反する挙動の起源を理解すること。
• ハンズ則結合（$J_H$）が鉄系超伝導体における電子ネミック性および磁気秩序を駆動する主要な局所的相関機構であるかどうかを特定すること。
• 複数の鉄系化合物にわたるバンド再構成のエネルギースケール（$\Delta_{H0}$）、秩序磁化モーメント、およびネール温度（$T_N$）の相関関係を評価し、ハンズ金属物理学の普遍性を検証すること。

提案手法

• 絶縁性インターレイヤーを備えた独自設計の機械的装置を用いて、NaFeAsおよびFeTe単結晶に一軸ひずみを印けてアンタゴニズム化すること。
• モンゴメリー法を用いた面内抵抗率測定。電流を異なる結晶学的軸に流し、2つの直交配置での電圧測定により、正確に異なる方向の抵抗率を決定できる。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子バンド構造を抽出し、両材料におけるネミック電子再構成を同定すること。
• 温度依存の抵抗率異方性の分析により、ネミック秩序の開始温度（$T_A$）を特定し、磁気転移温度（$T_N$）と比較すること。
• 複数の鉄系化合物にわたる$\Delta_{H0}$（バンド再構成のエネルギースケール）と$T_N$、磁化モーメントの相関関係を分析し、$J_H$が電子ネミック性に果たす役割を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 両者ともネミック状態にありながら、なぜNaFeAsではAFM方向に抵抗率が低く、FeTeでは高い抵抗率を示すのか？
• RQ2 ハンズ則結合（$J_H$）は、拡散的状態（NaFeAs）と局在的状態（FeTe）の両方において、電子構造および輸送異方性にどのように異なる影響を及えるのか？
• RQ3 局在的電子相関が支配的であるにもかかわらず、$J_H$が鉄系超伝導体においても、オンサイトクーロン反発力$U$が強くなくても、主要な電子相関機構として支配的であると見なせるか？
• RQ4 観察された抵抗率異方性は、異なる鉄系化合物にわたる統一的なハンズ金属フレームワークで説明可能か？
• RQ5 バンド再構成のエネルギースケール（$\Delta_{H0}$）、磁気秩序（$T_N$）、および鉄系超伝導体における秩序磁化モーメントとの関係は何か？

主な発見

• NaFeAsでは、AFM方向の抵抗率がFM方向よりも低く、BaFe2As2と同様の挙動を示し、ハンズ則結合に起因するネミック電子再構成が生じていることが示された。
• FeTeでは、AFM方向の抵抗率がFM方向よりも高く、NaFeAsとは逆の挙動を示し、$J_H$がAFM方向への電子の跳躍を抑制していることが示された。
• NaFeAsとFeTeにおける抵抗率異方性の逆転は、$J_H$の異なる発現形態に起因する。NaFeAsでは$J_H$が拡散的状態におけるネミックバンド再構成を誘導するが、FeTeでは$J_H$が局在的状態で有効なポテンシャル障壁を形成し、マンガン酸化物における巨大磁気抵抗と類似する。
• バンド再構成のエネルギースケール（$\Delta_{H0}$）は、鉄系化合物全体にわたり$T_N$と単調に相関しており、$J_H$がネミック秩序の普遍的駆動要因であることを支持する。
• FeTeの秩序磁化モーメント（約2 $\mu_B$）は、類似する$T_N$を示す鉄ヒ hydride化合物よりも顕著に大きく、FeTeが局在的特性を示す中で$J_H$がより強く作用していることを示しており、これに一致する。
• ARPES測定では、FeTeにおけるバンド再構成が広いエネルギー範囲にわたり発現し、ポラロニック的性質を示しており、電子の局在的性質および$J_H$が自己捕捉状態を形成する役割を果たしていることがさらに支持された。