[논문 리뷰] Emergent phases in iron pnictides: Double-Q antiferromagnetism, charge order and enhanced nematic correlations

Rong Yu, Ming Yi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 21.

Iron-based superconductors research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 최적 초전도 도핑 근처의 구멍 도핑된 철 arsenide에서 $C_4$ 대칭성의 이중-Q 반자성 순서가 $(\pi,\pi)$ 전하 순서와 함께 나타나며, 이는 강하게 증가한 비대칭성 감도를 보임을 제안한다. $w$-확장된 기니스-랜다우 이론을 사용하여, 저항성 금속 영역에서의 양자 양상이 이 상을 안정화함으로써 최근 122 철 arsenide에서 관측된 비대칭성 양상과 전하 순서를 설명한다.

ABSTRACT

Electron correlations produce a rich phase diagram in the iron pnictides. Earlier theoretical studies on the correlation effect demonstrated how quantum fluctuations weaken and concurrently suppress a $C_2$-symmetric single-Q antiferromagnetic order and a nematic order. Here we examine the emergent phases near the quantum phase transition. For a $C_4$-symmetric collinear double-Q antiferromagnetic order, we show that it is accompanied by both a charge order and an enhanced nematic susceptibility. Our results provide understanding for several intriguing recent experiments in hole-doped iron arsenides, and bring out common physics that underlies the different magnetic phases of various iron-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 철 arsenide에서 양자临계점 근처에서 새로운 전자 상이 어떻게 나타나는지 이해하기.
• 구멍 도핑된 122 철 arsenide에서 이중-Q 반자성, 전하 순서, 및 증가한 비대칭성 양상의 공존을 설명하기.
• 특히 스펙트럼 무게 $w$를 통해 기인하는 전자 상호작용의 역할이 최적 도핑 근처에서 경쟁하는 순서를 안정화시키는 방식을 명확히 하기.
• 철기반 초전도체 전반에 걸쳐 자성, 전하, 비대칭 순서를 연결하는 통합 이론적 프레임워크를 제공하기.

제안 방법

• 저항성 금속 영역에서 전자 상호작용 효과를 모델링하기 위해 $w$를 비례로 하는 기니스-랜다우 자유 에너지의 $w$-확장을 사용함.
• 확장의 편미분을 용이하게 하기 위해 정규화된 응집성 전자 연산자 $c_{\mathbf{k}\alpha\sigma} = (1/\sqrt{w})d^{\text{coh}}_{\mathbf{k}\alpha\sigma}$ 를 도입함.
• 자기(이중-Q), 전하, 비대칭 순서 파ameters를 포함하는 기니스-랜다우 작용을 구성함. 이는 $C_4$ 격자 대칭성을 유지함.
• 분할 함수의 2차 항 확장을 통해 사다리점 근사법을 사용하여 순서 파ameter 양상의 縦방향 및 횡방향 전파함수를 유도함.
• 이중-Q 상에서의 비대칭성 감도 $\chi^\text{tot}_\text{nem}$ 을 縱방향 양상에서 계산하고, 이는 비자기 상 및 단일-Q 상과 비교함.
• 자기, 전하, 비대칭 양상 간의 상호작용 분석을 위해 역행렬 전파함수 행렬 $G^{-1}_{m,\sigma}$ 를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중-Q 반자성 순서는 구멍 도핑된 철 arsenide에서 전하 순서와 비대칭성 양상의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스펙트럼 무게 $w$는 양자临계점 근처에서 $C_4$ 대칭성의 이중-Q 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 이중-Q 상에서 비대칭성 감도는 비자기 상 또는 단일-Q 상보다 증가하는가?
• RQ4 양자 양상과 전자 상호작용, 특히 $w$로 매개화된 것들이 자성, 전하, 비대칭 순서 간의 경쟁에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 통합된 기니스-랜다우 프레임워크는 최근 실험에서 관측된 이중-Q AF, 전하 순서, 및 증가한 비대칭성의 공존을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 이중-Q 반자성 상은 $(\pi,\pi)$ 전하 순서를 수반하며, 이는 Na/K 도핑에 의해 (Ba,Sr)Fe2As2에서 관측된 결과와 일치함.
• 비대칭성 감도는 縱방향 양상으로 인해 크게 증가하며, $\chi^{\text{DQ},\text{tot}}_{\text{nem}} \sim \frac{N\pi}{c\nu_n}\arctan\left(\frac{\nu_n}{\sqrt{2\tilde{\lambda}}}\right)$ 로 표현되며, 이는 비자기 상보다 높음.
• 조금만 강한 자기 순서가 존재하는 경우에도 비대칭성 감도는 횡방향 기여와 유사한 수준을 유지하여 강력한 증가 효과를 보임.
• 에너지 척도를 낮추는 데 기여하는 효과적 분산 내의 $u_1 - u_2$ 와 $\tilde{\lambda}$ 항 간의 상호작용이 비대칭성 양상의 에너지 스케일 감소를 유도함.
• 이론은 $w$-의존적 양자 양상이 양자临계점 근처에서 발생하는 이중-Q AF, 전하 순서, 증가한 비대칭성의 공존을 자연스럽게 설명함.
• 최근의 실험 결과, 즉 구멍 도핑된 122 철 arsenide에서의 비대칭성 양상과 비틀림 모odulus 이상 현상에 대한 통합적 설명을 제공함.