[논문 리뷰] Magnetic properties and pairing tendencies of the iron-based superconducting ladder BaFe$_2$S$_3$: combined ab initio and density matrix renormalization group study

Niravkumar D. Patel, Alberto Nocera외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 13.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 백이온화합물 BaFe₂S₃를 위한 이중 궤도 허버드 모델을 유도하기 위해 아비니티 계산과 밀도행렬다각형군(DMRG) 방법을 결합한다. 강한 상호작용 영역에서 정공 도핑이 발생할 경우, 정공 쌍이 반자성 상관관계를 통해 형성되며, 궤도 선택적 모트 상태의 거동를 보이며, 구리산염 래퍼와 유사한 초전도 메커니즘을 제안한다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity under high pressure in the two-leg ladder compound BaFe$_2$S$_3$ [H. Takahashi et al., Nature Materials 14, 1008 (2015)] opens a broad avenue of research, because it represents the first report of pairing tendencies in a quasi one-dimensional iron-based high critical temperature superconductor. Similarly as in the case of the cuprates, ladders and chains can be far more accurately studied using many-body techniques and model Hamiltonians than their layered counterparts, particularly if several orbitals are active. In this publication, we derive a two-orbital Hubbard model from first principles that describes individual ladders of BaFe$_2$S$_3$. The model is studied with the density matrix renormalization group. These first reported results are exciting for two reasons: (i) at half-filling, ferromagnetic order emerges as the dominant magnetic pattern along the rungs of the ladder, and antiferromagnetic order along the legs, in excellent agreement with neutron experiments; (ii) pairs form in the strong coupling regime, as found by studying the binding energy of two holes doped on the half-filled system. In addition, Orbital Selective Mott Phase characteristics develop with doping, with only one Wannier orbital receiving the hole carriers while the other remains half-filled. These results suggest that the analysis of models for iron-based two-leg ladders could clarify the origin of pairing tendencies and other exotic properties of iron-based high critical temperature superconductors.

연구 동기 및 목표

• 최근에 발견된 고압 초전도체 BaFe₂S₃인 1차원에 가까운 철기반 래퍼의 자성 및 쌍 형성 메커니즘을 이해하기 위해.
• BaFe₂S₃의 전자 구조를 잘 반영하는 현실적인 이중 궤도 허버드 모델을 제1원리에서 유도하기 위해.
• 강상호작용 기법을 사용하여 이 시스템에서 자성, 전자 상호작용 및 초전도 쌍 형성 경향 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 반자성 변동이 이중 궤도 모델에서 정공 쌍 형성에 기여할 수 있는가를 확인하고, 구리산염 래퍼 메커니즘과 유사한가를 조사하기 위해.
• 현실적인 철기반 래퍼 모델에서 정공 도핑 조건 하에서 궤도 선택적 모트 상태가 어떻게 나타나는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• BaFe₂S₃의 전자 구조에서 유도된 이중 궤도 허버드 모델을 아비니티 계산을 통해 유도하며, 근접 이웃을 초월한 오르빗 이동항목을 포함한다.
• 유도된 모델은 강한 전자 상호작용을 다루기 위해 유한 크기의 클러스터(8×2)에서 밀도행렬다각형군(DMRG) 방법을 사용하여 연구한다.
• 중성자 산란 데이터와 비교하기 위해 자성 순서 파am터와 스핀 구조 인자 수치를 계산한다.
• 강한 상호작용 영역에서의 쌍 형성 경향을 탐색하기 위해 도핑된 두 정공의 결합 에너지를 계산한다.
• 궤도 해상도 정공 밀도와 스핀 상관관계를 분석하여 궤도 선택적 모트 상태의 특징을 탐지한다.
• 도핑된 정공 쌍의 파동함수 분석을 통해 쌍 형성 대칭성과 공간 상관관계(특히 래퍼 및 대각선 플라켓트 구성)를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제1원리에서 유도된 이중 궤도 허버드 모델이 BaFe₂S₃에서 실험적으로 관측된 자성 순서를 잘 재현하는가?
• RQ2 도핑된 시스템에서 반자성 변동이 정공 쌍 형성으로 이어질 수 있는가? 이는 쌍 형성 메커니즘을 시사하는가?
• RQ3 도핑된 상태에서 궤도 선택성의 역할은 무엇이며, 궤도 선택적 모트 상태 형성 여부를 시사하는가?
• RQ4 래퍼 모델의 강한 상호작용 영역에서 스핀 상관관계와 정공 쌍 형성 구성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 구리산염 이중다리 래퍼와 유사한 메커니즘에 부합하는 정공 쌍 형성의 증거가 있는가?

주요 결과

• 반만족 상태에서는 래퍼 방향으로는 반자성 순서가 유지되며, 다리 방향으로는 반자성 상관관계가 강하게 결합된 자성 순서를 보이며, 중성자 회절 실험 결과와 뛰어난 일치를 보인다.
• 정공 도핑 조건에서는 두 정공의 상당한 결합 에너지가 관측되어 강한 상호작용 영역에서 정공 쌍 형성이 일어나고 있음을 시사한다.
• 두 개의 Wannier 궤도 중 하나만 도핑 조건에서 점유되며, 이는 궤도 선택적 모트 상태의 형성 임을 시사한다.
• 정공 쌍은 주로 반자성 상관관계를 통해 형성되며, 철 플라켓트의 래퍼 및 대각선 구성에서 주로 발생한다.
• 파동함수 분석 결과, 두 정공이 다리 사이를 진동하며, 정공을 끼고 있는 반자성 스핀 상관관계에 의해 촉진됨을 확인하여, 스핀 변동에 의해 driving되는 쌍 형성 메커니즘이 타당함을 뒷받침한다.
• 결과적으로 반자성 변동이 이중 궤도 래퍼에서 초전도성을 매개할 수 있으며, 이는 철기반 초전도체에 대한 타당한 메커니즘을 제공한다.