[논문 리뷰] Frustrated magnetism and quantum transitions of nematic phases in FeSe

Wen-Jun Hu, Hsin-Hua Lai외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 03.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 정사각형 격자에서의 과도한 스핀-1 이선형-이바이키빅 상호작용이 FeSe에서 비자기적, 나선형 및 반자성 상 사이의 양자 상전이를 이끌어낸다고 제안한다. 대규모 밀도 행렬 분해법(DMRG) 계산을 통해 상호작용 비율을 조절할 경우, $(\pi,0)$ 반자기계면자기적 질서에서 $(\pi,0)$ 반자성 질서로의 전이가 직접적이거나 $(\pi/2,\pi)$ 상태를 거쳐 일어나며, 이는 압력 하에서 관측된 오thro모르픽 반자성 질서를 설명하고 철계 초전도체의 초전도성의 통합 기원을 시사한다.

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often emerges near antiferromagnetic order. This paradigm applies to many iron-based superconductors, but the iron chalcogenide FeSe represents a major puzzle. Its normal state has a nematic order (spontaneously broken lattice rotational symmetry) which, in contrast to the iron pnictides, is not accompanied by an antiferromagnetic order. In one proposal, such properties of FeSe originate from the orbital degrees of freedom associated with the Fe's 3d electrons. In a competing proposition, spin physics is central to FeSe but magnetic frustration has replaced antiferromagnetism with a more exotic spin state. Here, we show that a frustrated spin-1 bilinear-biquadratic model on the square lattice displays quantum transitions between non-magnetic and antiferromagnetic phases, each of which is also nematic. Our large-scale density matrix renormalization group calculations show that tuning the ratio of competing interactions in the model induces a transition from a $(\pi,0)$ antiferroquadrupolar order to a $(\pi,0)$ antiferromagnetic state, either directly or through a $(\pi/2,\pi)$ antiferromagnetic order. Our findings explain the recent dramatic experimental observations of an orthorhombic antiferromagnetic order in the pressurized FeSe, and suggest that superconductivity in a wide range of iron-based materials has a common origin.

연구 동기 및 목표

• FeSe에서 전통적인 반자기적 질서가 없는 비자기적 질서의 기원을 이해하기 위해.
• 오비탈 자유도가 아닌 스핀 과도성으로 인해 FeSe의 비정상적 성질이 설명되는지 조사하기 위해.
• 과도한 스핀 모델에서의 양자 상전이가 눌린 FeSe에서 실험적으로 관측된 오thro모르픽 반자성 질서를 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 철계 초전도체에서의 초전도성은 과도한 스핀 물리학에 뿌리를 두고 공통의 기원을 가질 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• FeSe의 자성 상호작용을 모델링하기 위해 정사각형 격자에서의 스핀-1 이선형-이바이키빅 해밀토니안을 사용한다.
• 양자 상전이를 연구하기 위해 대규모 밀도 행렬 분해법(DMRG) 계산을 사용한다.
• 다양한 양자 상을 탐색하기 위해 경쟁적 이선형 및 이바이키빅 스핀 상호작용 비율을 조절한다.
• 스핀 구조 인자와 질서 파라미터를 분석하여 비자기적 및 자성 장거리 질서를 식별한다.
• 전이 중에 중간 상태로 $(\pi/2,\pi)$ 반자성 상태를 포함한 중간 상을 고려한다.
• 최근의 압력 하에서의 오thro모르픽 반자성 질서 관측 결과와 모델의 상도표를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정사각형 격자에서의 과도한 스핀-1 모델이 FeSe에서 관측된 비자기적 및 반자성 상을 재현할 수 있는가?
• RQ2 이 모델에서 비자기적 상태와 반자성 상태 사이의 양자 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 전이는 $(\pi,0)$ 반자기계면자기적 질서에서 직접 $(\pi,0)$ 반자성 질서로 진행되는가, 아니면 중간 단계로 $(\pi/2,\pi)$ 상태를 거치는가?
• RQ4 이 모델은 눌린 FeSe에서 오thro모르픽 반자성 질서의 발생을 설명할 수 있는가?
• RQ5 철계 초전도체에서의 초전도성은 과도한 스핀 물리학에 뿌리를 두고 공통의 메커니즘이 존재하는가?

주요 결과

• 과도한 스핀-1 이선형-이바이키빅 모델은 $(\pi,0)$ 반자기계면자기적 비자기적 상에서 $(\pi,0)$ 반자성 상으로의 양자 상전이를 나타낸다.
• 상호작용 조절에 따라 전이가 직접적이거나 중간 단계로 $(\pi/2,\pi)$ 반자성 상을 거쳐 일어날 수 있다.
• 모델은 비자기적 질서와 반자성 장거리 질서를 모두 생성하며, 눌린 FeSe에서의 실험 관측 결과와 일치한다.
• 계산된 상도표는 압력 하에서 오thro모르픽 반자성 질서의 발생을 설명하며, 최근의 실험 결과와 일치한다.
• 결과적으로, 오비탈 자유도가 아닌 과도한 스핀 물리학이 FeSe 및 유사한 철계 초전도체의 초전도 메커니즘의 핵심일 수 있음을 시사한다.