[논문 리뷰] Magnetic interactions in FeSe studied by first principle calculations

Shuai Wang, Fa Wang|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 19.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 처음부터 계산을 통해 이중층 및 고체 상태 FeSe에서의 자성 상호작용을 조사하여, 격자 상수가 증가함에 따라 단층 FeSe에서 반자성 쌍체판상( PA F M )에서 스트립 쌍향( C A F ) 질서로의 전이가 일어나며, 구조 재구성 조건에서만 고체 상태 FeSe가 PAFM 질서를 유지함을 밝혀냈다. J₁–J₂–K₁ 모델의 피팅 결과는 강한 상호작용과 낙관적 상호작용이 격자 팽창에 따라 약간 증가함을 보여주며, 이는 FeSe/SrTiO₃ 이방성 구조에서 향상된 초전도성의 근본 원인이 자성일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Based on first principle calculations we have investigated the evolution of magnetism in free-standing monolayer FeSe with respect to lattice constant and magnetism in bulk FeSe. The computational results show that the magnetic order in free-standing monolayer FeSe will change from anti-ferromagnetic pair-checkboard order to stripe collinear order along with enlarging lattice constant. The magnetic order in bulk FeSe will change from stripe collinear order to anti-ferromagnetic pair-checkboard order only if structure reconstruction is allowed. We use J$_1$-J$_2$-K$_1$ model to fit the calculated total energies of different magnetic orders to study magnetic interaction strengths in FeSe. The fitting results of J$_1$-J$_2$-K$_1$ indicate that magnetic interactions in FeSe are quite strong and highly frustrated, and increase slowly with enlarging lattice parameter.

연구 동기 및 목표

• 단층 FeSe에서의 인장 응력(격자 상수 변화에 의해)이 자성에 미치는 영향을 재검토하기 위해.
• 이전 보고서에서 FeSe의 자성 상호작용 강도에 대한 모순을 해결하기 위해.
• 구조 재구성 조건에서 고체 상태 FeSe의 자성 질서가 스트립 쌍향에서 쌍체판상 질서로 전이될 수 있는지 확인하기 위해.
• J₁–J₂–K₁ 모델을 사용하여 자성 스핀 상호작용을 정량화하고 초전도 전이 온도(Tc) 향상에 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• PAW 허위파손과 GGA-PBE 교환-상관 기능을 사용한 VASP를 이용한 비동축 자성 계산.
• 밀도 높은 k-메쉬(단층은 24×24×1, 고체 상태는 18×18×18)와 500 eV 평면파 截단을 사용하여 수렴성 확보.
• 단층 FeSe에서의 다층 상호작용을 분리하기 위해 15Å의 진공을 포함.
• 다양한 자성 상태(네엘, 쌍향, 나선형, 테트라헤드럴, 비쌍향, 쌍체판상 질서)의 총 에너지 체계적 계산.
• 변동하는 자성 모멘트 크기를 고려한 총 에너지에 기반한 J₁–J₂–K₁ 스핀 해밀토니안 파라미터 피팅.
• 적합된 J₁, J₂, K₁ 파라미터를 사용하여 선형 스핀파 이론을 적용하여 자성파 분산을 계산하고 중성자 산란 결과와 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 격자 상수가 증가함에 따라 자유 상태의 단층 FeSe의 자성 기저 상태는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 구조 재구성이 허용될 경우 고체 상태 FeSe에서 어떤 자성 질서가 나타나는가?
• RQ3 FeSe의 자성 스핀 상호작용(J₁, J₂, K₁)은 격자 팽창에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 FeSe의 자성 상호작용은 어느 정도 낙관적이며, 이는 장거리 자성 질서의 부재와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 고체 상태 FeSe의 스핀파 분산은 J₁–J₂–K₁ 모델로 예측할 수 있는가? 그리고 BaFe₂As₂와 같은 알려진 시스템과 비교해보면 어떻게 되는가?

주요 결과

• 단층 FeSe는 격자 상수를 3.765 Å에서 4.045 Å로 증가시킬수록 반자성 쌍체판상(PAFM) 질서에서 스트립 쌍향(CAF) 질서로 전이된다.
• 고체 상태 FeSe는 구조 재구성이 허용될 때에만 PAFM 질서를 나타내며, 이 외에는 CAF 질서가 기저 상태로 유지된다.
• J₁–J₂–K₁ 모델 피팅 결과, 단층 및 고체 상태 FeSe에서 J₂/J₁ 비율은 약 0.5로 나타나 강한 자성 낙관적 상호작용을 시사한다.
• 자기 상호작용 강도는 격자 팽창에 따라 약간 증가하며, 이는 스트레인에 대한 스핀 상호작용의 약한 의존성을 시사한다.
• CAF 질서 상태에서 고체 상태 FeSe의 스핀파 분산은 BaFe₂As₂보다 略로 넓은 대역폭을 보이며, 이는 비탄성 중성자 산란 실험으로 검증 가능하다.
• 더 밀도 높은 k-메쉬, 비동축 상태의 포함, 모멘트 크기 의존성 에너지 피팅을 고려함으로써 이전 연구와의 모순을 해결하였다.