[論文レビュー] Experimental determination of the microscopic origin of magnetism in parent iron pnictides

David Hsieh, Y. Xia+8 more|ArXiv.org|Dec 12, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 32被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、分極依存ARPESおよびSTMを用いて、母体鉄ヒ hydride 化合物における磁性の微視的起源を解明し、特定のd軌道間のネストに起因する、新しい軌道選択的で異方的ギャップを有するスピン密度波（SDW）状態を同定した。主な発見は、鏡映性が逆である一対のバンド—α₃およびβ₁—のみが約50 meVのエネルギースケールでSDW不安定性を示すことであり、局在的モーメントではなく、それらのバンドがネストに起因する拡散的メカニズムによって磁性を示すことを確認した。

ABSTRACT

Like high Tc cuprates, the newly discovered iron based superconductors lie in close proximity to a magnetically ordered parent phase. However, while the magnetic order in parent cuprates is known to derive from a spin-spin local superexchange interaction, a plethora of experiments including neutron scattering have so far been unable to conclusively resolve whether a local moment Heisenberg description applies in parent iron based compounds, or whether magnetism arises from a collective SDW order instability. These two alternatives can in principle be distinguished by measuring the low energy momentum-resolved bulk-representative electronic structure of the magnetically ordered phase. Using a combination of polarization dependent ARPES and STM, we have isolated the complete low-lying bulk representative electronic structure of magnetic SrFe2As2 with d-orbital symmetry specificity for the first time. Our results show that while multiple bands with different iron d-orbital character indeed contribute to charge transport, only one pair of bands with opposite mirror symmetries microscopically exhibit an itinerant SDW instability with energy scales on the order of 50 meV. The orbital resolved band topology below T_SDW point uniquely to a nesting driven band hybridization mechanism of the observed antiferromagnetism in the iron pnictides, and is consistent with an unusual anisotropic nodal-density-wave state. In addition, these results place strong constraints on many theories of pnictide superconductivity that require a strict local moment magnetism starting point.

研究の動機と目的

• 母体鉄ヒ hydride 化合物における磁性が局在的モーメントに起因するのか、それとも拡散的スピン密度波（SDW）不安定性に起因するのかを特定すること。
• 表面再構成や汚染効果の影響にもかかわらず、SrFe2As2におけるバルクに代表される電子構造を分離すること。
• SDW不安定性および反強磁性秩序を引き起こす原因となる特定のd軌道およびバンドマニフォールドを同定すること。
• 鉄系超伝導体における長年の論争である、局在的モーメント（ヘイゼンベルク）モデルと拡散的（SDW）モデルのメカニズムの解消

提案手法

• 10 Kで切断したSrFe2As2表面に対して分極依存角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、軌道分解能を有する電子構造を取得した。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて表面再構成をマッピングし、ARPESの特徴と照合することで、表面に起因するバンドの折りたたみを同定した。
• T_M = 190 Kの上下的なARPESデータを比較することで、温度依存的なスペクトルの変化に基づいてバルク由来の状態と表面効果を区別した。
• 光電子分極を用いた軌道対称性解析により、個々のバンドにd軌道の性質を割り当てた。
• バンド分散およびスペクトル強度の変化を分析することで、SDW転移におけるフェルミ面トポロジーとギャップの異方性をマッピングした。
• LDAバンド構造計算と組み合わせることで、ネストに起因するSDWメカニズムを解釈し、観測されたフェルミ面トポロジーを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 母体鉄ヒ hydride 化合物における磁性秩序を引き起こす電子バンドおよびd軌道はどれか？
• RQ2 SrFe2As2における磁性は、局在的モーメントに起因するのか、それとも拡散的スピン密度波（SDW）不安定性に起因するのか？
• RQ3 表面再構成や汚染の影響があるにもかかわらず、ARPESでバルク電子構造を信頼性を持って取得できるか？
• RQ4 磁性秩序相におけるSDWギャップの対称性および異方性は何か？
• RQ5 観測されたフェルミ面トポロジーは、SDWネストメカニズムを支持するのか、あるいは反証するのか？

主な発見

• 鏡映性が逆である一対のバンド—α₃およびβ₁—のみが、約50 meVのエネルギースケールでSDW不安定性を示した。
• α₃およびα₄バンドは表面再構成（Q_SR = (π/2, π/2)）に起因するが、α₁およびα₂バンドはバルク的であり、表面変化に対して感度が低い。
• T_M未満のフェルミ面は、M点にダイヤモンド型の電子パッチと、4つのペタル型のホールパッチから構成され、ネストに起因するSDW状態と整合的である。
• 異方的ギャップ形成（Δ_y ≈ 58 meV、Δ_x ≠ 0）により、二重対称性のフェルミ面が形成され、弱い結合平均場理論の予測と一致する。
• Q_SDW = (π,0)およびQ_SDW = (0,π)のドメインの共存が、ARPESにおいてフェルミ面が四重対称的に見える理由を説明する。
• 観測された軌道選択的で異方的ギャップを有するSDW状態は、局在的モーメントに基づく理論を排除し、磁性および超伝導の拡散的ネスト駆動メカニズムを支持する。