[論文レビュー] Electronic structure and exotic exchange splitting in spin-density-wave states of BaFe$_2$As$_2$

Lexian Yang, Yiting Zhang+20 more|ArXiv.org|Jun 16, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、BaFe2As2におけるスピン密度波（SDW）秩序が、フェルミ表面のネストに起因するのではなく、効果的局所磁気モーメントに起因する特異な交換スプリングに起因することを明らかにした。主な発見は、SDW状態が局所的交換相互作用によって安定化されており、Mott絶縁体の反強磁性に類似した性質を示し、フェルミ表面にギャップが存在しないこと、ストーナー比が約0.1 eV/μBであることが示され、鉄系超伝導体における新規で弱い相関性を持つ磁気的状態が存在することを示している。

ABSTRACT

The magnetic properties in the parent compounds are often intimately related to the microscopic mechanism of superconductivity. Here we report the first direct measurements on the electronic structure of a parent compound of the newly discovered iron-based superconductor, BaFe$_2$As$_2$, which provides a foundation for further studies. We show that the energy of the spin density wave (SDW) in BaFe$_2$As$_2$ is lowered through exotic exchange splitting of the band structure, rather than Fermi surface nesting of itinerant electrons. This clearly demonstrates that a metallic SDW state could be solely induced by interactions of local magnetic moments, resembling the nature of antiferromagnetic order in cuprate parent compounds.

研究の動機と目的

• 母相化合物BaFe2As2におけるスピン密度波（SDW）秩序の微視的起源を特定すること。
• 鉄pnict化物におけるSDWがフェルミ表面のネストか、局所的磁気的相互作用によって駆動されるかという長年の論争を解消すること。
• 電子相関および交換相互作用が鉄系超伝導体の電子構造に与える役割を明確にすること。
• これらの材料における磁気秩序と超伝導の相乗的相互作用を理解する基盤を確立すること。

提案手法

• 21.2 eVの光子を用いたシンクロトロンおよびヘリウムランプ光源で、高品質なBaFe2As2単結晶を対象に角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• SDW転移温度（T_S ≈ 138 K）より高い温度および低い温度で測定を行い、電子状態の変化を追跡した。
• エネルギー分布関数（EDC）および運動量分布関数（MDC）の解析により、バンド分散およびフェルミ表面の位相構造を抽出した。
• 光電子強度の2階微分解析を用いてスペクトル特徴を強調し、バンドのクロスイングを同定した。
• 相関効果およびバンド構造の不一致を評価するために、密度汎関数理論（DFT）計算とデータを比較した。
• Feの局所的磁気モーメント間の推定された有効交換相互作用（30–35 meV）と観測されたバンドスプリングを比較することで、交換スプリングを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaFe2As2におけるスピン密度波（SDW）秩序は、フェルミ表面のネストか、局所的磁気的相互作用によって駆動されているか？
• RQ2 SDW状態で観測されたバンドスプリングの起源は何か？フェルミ表面にギャップが存在するか？
• RQ3 電子相関および局所的スピンモーメントは、鉄系超伝導体のSDW状態にどのように寄与しているか？
• RQ4 DFT計算は、特にバンド間のエネルギー差を正確に再現できているか？
• RQ5 交換相互作用はSDWの安定化に果たす役割は何か？そして、通常の拡散磁性体と比べてどう異なるか？

主な発見

• BaFe2As2におけるSDW状態にはフェルミ表面にギャップが存在せず、磁気秩序の主因としてフェルミ表面ネストが排除された。
• T_S未満でのバンドスプリングは、格子歪みやスピン軌道結合ではなく、効果的局所磁気モーメントに起因する交換スプリングによるものである。
• 観測されたスプリングエネルギースケール（~30–35 meV）は、Feイオン間の推定された交換相互作用と一致しており、局所的モーメント起源を支持する。
• ストーナー比（交換スプリング／磁気モーメント）は約0.1 eV/μBであり、Cr や Fe よりも顕著に小さいため、特異な磁気的挙動を示している。
• DFT計算は、観測されたバンドスプリングおよびバンド間のエネルギー差（~70 meV）を再現できず、相関効果が欠落していることを示している。
• SDW状態は、最近接および準近接のFeモーメント間の交換相互作用によって安定化されており、Mott絶縁体における反強磁性秩序に類似している。