[논문 리뷰] Quasiclassical theory of $C_4$-symmetric magnetic order in disordered multiband metals

Maxim Dzero, Maxim Khodas|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 26.

Iron-based superconductors research참고 문헌 43인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이종성, 다밴드 철기반 초전도체에서 C4 대칭성(테트라고널) 자성 질서를 연구하기 위해 준고전 이론을 개발한다. 주로 이방성 피에르 표면을 가진 3밴드 모형을 중심으로 하며, 밴드 내 산란이 단일-⃗Q 상태보다 双-⃗Q 스핀 밀도 파동 상태를 선호함을 보여주어 철 페니사이드에서 실험적으로 관측된 테트라고널 자성 상에 대한 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Recent experimental studies performed in the normal state of iron-based superconductors have discovered the existence of the $C_4$-symmetric (tetragonal) itinerant magnetic state. This state can be described as a spin density wave with two distinct magnetic vectors ${\vec Q}_1$ and ${\vec Q}_2$. Given an itinerant nature of magnetism in iron-pnictides, we develop a quasiclassical theory of tetragonal magnetic order in disordered three-band metal with anisotropic band structure. Within our model we find that the $C_4$-symmetric magnetism competes with the $C_2$-symmetric state with a single ${\vec Q}$ magnetic structure vector. Our main results is that disorder promotes tetragonal magnetic state which is in agreement with earlier theoretical studies.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체에서 C4 대칭성 자성 질서의 기원을 이해하기 위해, 특히 실험적으로 관측된 双-⃗Q 스핀 밀도 파동 상태에 초점을 맞춘다.
• 불순물이 서로 경쟁하는 자성 상태의 안정성에 미치는 영향을 조사한다. 특히 C2 대칭성(단일-⃗Q)과 C4 대칭성(이중-⃗Q) 자성 질서 사이의 경쟁을 다룬다.
• 이방성 밴드 구조를 가진 불순물이 있는 다밴드 금속에 적용 가능한 준고전 프레임워크를 개발한다. 이는 철 페니사이드 시스템과 관련이 있다.
• 밴드 내 산란와 밴드 간 산란의 역할을 명확히 하여 테트라고널 자성 상의 안정화에 기여하는 요소를 규명한다.

제안 방법

• 홀형(Γ점) 및 전자형(X 및 Y점) 밴드를 포함하는 3밴드 해밀토니안을 수립하며, 매개변수 δ0 및 δ2를 통해 이방성 피에르 표면의 공명을 포함한다.
• 두 개의 서로 다른 자성 벡터 ⃗Q1 및 ⃗Q2를 가진 스핀 밀도 파동 항을 도입하며, 이는 이징형 자화 필드 mX 및 mY로 모델링된다.
• 고전적 근사법을 적용하여 단일 입자 에너지에 대해 통합함으로써 준고전 전파함수 및 자기에너지에 대한 효과적 방정식을 유도한다.
• 밴드 내 산란를 자기에너지 항을 통해 도입하며, 밴드 간 산란는 무시하여 밴드 내 산란이 자성 질서에 미치는 영향을 독립적으로 분리한다.
• 자유 에너지의 랑그랑주 전개를 수행하여 C2 및 C4 대칭성 자성 상태의 안정성을 결정한다.
• 결과로 유도된 자기구속 방정식을 수치적으로 해결하여 다양한 불순물 강도에서 두 자성 상태의 자유 에너지 기여도를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다밴드 금속에서 밴드 내 불순물이 C2 대칭성 단일-⃗Q 상태보다 C4 대칭성 이중-⃗Q 자성 질서 상태의 형성을 선호하는가?
• RQ2 피에르 표면의 이방성(δ0 및 δ2로 제어됨)은 서로 다른 자성 질서 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 밴드 내 산란은 밴드 간 산란에 비해 테트라고널 자성 상의 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 준고전 형식은 다밴드 체계에서 불순물과 이트레인트 자성의 상호작용을 어떻게 기술하는가?
• RQ5 철기반 초전도체에서 관측된 단일-⃗Q 상태의 억제 현상은 밴드 내 불순물에 의해만 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 밴드 내 불순물은 C2 대칭성 단일-⃗Q 상태보다 C4 대칭성 이중-⃗Q 자성 질서 상태를 선호함을 보여주며, 이는 철기반 초전도체에서 실험적으로 관측된 결과와 일치한다.
• 밴드 간 불순물 효과를 고려하지 않더라도 이중-⃗Q 상태가 안정화됨을 확인하여, 밴드 내 산란만으로도 테트라고널 대칭성이 유리함을 입증한다.
• 랑그랑주 자유 에너지 전개 결과, 불순물 강도가 증가할수록 특히 이방성 밴드 구조가 존재할 경우 이중-⃗Q 상태가 에너적으로 유리해짐을 보였다.
• 모델은 실험적으로 관측된 단일-⃗Q 상태의 억제와 이중-⃗Q 상태의 증가를 재현하며, 테트라고널 자성 상에 대한 메커니즘을 뒷받침한다.
• 이전 이론 연구와 일치하여 불순물이 C4 대칭성 자성 질서를 선호함을 보여주며, 이 현상에 대한 준고전적 기반을 제공한다.
• 준고전 접근법은 불순물이 있는 다밴드 체계에서 자성 상태 간의 경쟁을 성공적으로 기술하였으며, 철기반 물질에서 유사 현상을 연구할 수 있는 프레임워크를 제공한다.