[논문 리뷰] First-principles investigation of effect of pressure on BaFe$_2$As$_2$

Wenhui Xie, Mingli Bao외 2명|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 26.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 밀도-functional 이론과 전체 포텐셜 선형화된 증강 평면파 방법을 사용하여 BaFe₂As₂의 압력 효과를 조사한다. 연구 결과, 줄무늬 반자성 상태는 13 GPa까지 안정성을 유지하며, 6.4 GPa까지 등방성 압축성질을 보이며, 약 6 GPa에서 전도도 표면의 위상 전이가 발생함을 밝혀내었으며, 이는 구조적 변화와 초전도성 상실과 관련이 있다.

ABSTRACT

On experimental side, BaFe$_2$As$_2$ without doping has been made superconducting by applying appropriate pressure (2-6 GPa). Here, we use a full-potential linearized augmented plane wave method within the density-functional theory to investigate the effect of pressure on its crystal structure, magnetic order, and electronic structure. Our calculations show that the striped antiferromagnetic order observed in experiment is stable against pressure up to 13 GPa. Calculated antiferromagnetic lattice parameters are in good agreements with experimental data, while calculations with nonmagnetic state underestimate Fe-As bond length and c-axis lattice constant. The effects of pressure on crystal structure and electronic structure are investigated for both the antiferromagnetic state and the nonmagnetic one. We find that the compressibility of the antiferromagnetic state is quite isotropic up to about 6.4 GPa. With increasing pressure, the FeAs$_4$ tetrahedra is hardly distorted. We observe a transition of Fermi surface topology in the striped antiferromagnetic state when the compression of volume is beyond 8% (or pressure 6 GPa), which corresponds to a large change of $c/a$ ratio. These first-principles results should be useful to understanding the antiferromagnetism and electronic states in the FeAs-based materials, and may have some useful implications to the superconductivity.

연구 동기 및 목표

• BaFe₂As₂에서 결정 구조, 자성 및 전자 구조의 압력 유도 변화를 이해하기 위해.
• 압력 하에서 구조적 및 전자적 성질을 결정짓는 반자성 질서의 역할을 명확히 하기 위해.
• 압력 하에서 초전도성의 기원과 전도도 표면 위상 구조와의 관계를 조사하기 위해.
• 자기적 상태와 비자기 상태의 예측을 비교하여 스핀 분극의 중요성을 평가하기 위해.
• 압력 유도 초전도성 및 구조 전이의 실험 관측을 해석하기 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 밀도-functional 이론(DFT) 내에서 전체 포텐셜 선형화된 증강 평면파(FP-LAPW) 방법을 사용하였다.
• 전자 구조 계산에 국부 밀도 근사(LDA)와 일반화된 기울기 근사(GGA)를 모두 사용하였다.
• 전하 밀도 및 원자력에 대한 수렴 조건을 만족시키는 자성계산을 수행하였다.
• 원자당 힘이 1 mRy/a.u. 이하가 될 때까지 내부 매개변수 z_As를 최적화하였다.
• 브릴루아 영역 통합을 위해 고밀도의 k-점 샘플링(자기적 상태에 대해 500점, 비자기 상태에 대해 ≥1500점)을 사용하였다.
• 자기적 효과를 분리하기 위해 줄무늬 반자기적 상태와 비자기 상태의 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력은 BaFe₂As₂의 줄무늬 반자기적 질서의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 압력 하에서 스핀 분극은 격자 매개변수와 Fe-As 결합 길이를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 압력 하에서 전도도 표면의 위상 전이가 발생하는가? 만약 그렇다면 어느 압력에서 발생하며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 반자기적 상태와 비자기 상태 간에 결정의 압축성질은 어떻게 다를까?
• RQ5 c/a 비율 붕괴와 초전도성의 발생 또는 상실 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 줄무늬 반자기 상태는 13 GPa까지 안정성을 유지하며, 계산된 격자 매개변수는 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였다.
• 비자기 상태 계산은 c축 격자 매개변수와 Fe-As 결합 길이를 과소평가하며, 실험치보다 더 작은 z_As 값을 산출하였다.
• 반자기 상태는 6.4 GPa까지 거의 등방성의 압축성질을 보였지만, 비자기 상태는 c축 방향의 더 강한 압축을 보였다.
• 반자기 상태에서 FeAs₄ 테트라헤드론은 압력 하에서도 거의 변형되지 않았다.
• 약 6 GPa(또는 8% 부피 압축)에서 전도도 표면의 위상 전이가 발생하였으며, 이는 c/a 비율의 급격한 변화와 관련이 있었다.
• 이 전이는 c축의 연성 증가와 관련이 있으며, 더 높은 압력에서 초전도성 상실을 설명할 수 있다.