[論文レビュー] Frustrated magnetism and quantum transitions of nematic phases in FeSe

Wen-Jun Hu, Hsin-Hua Lai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、正方形格子上のスピン1のフラストレーションした双一次・双二次相互作用が、FeSeにおけるスピン異性性、非磁性および反強磁性相の間の量子相転移を引き起こすと提案している。大規模な密度行列ランキン法（DMRG）計算により、相互作用比の調整によって$(\pi,0)$反強磁性四極子秩序から$(\pi,0)$反強磁性秩序への転移が生じることを示し、直接的あるいは$(\pi/2,\pi)$状態を経由する形で実現される。これは、圧力下での観測された正方晶反強磁性秩序を説明し、鉄系超伝導体における超伝導の統一的起源を示唆している。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often emerges near antiferromagnetic order. This paradigm applies to many iron-based superconductors, but the iron chalcogenide FeSe represents a major puzzle. Its normal state has a nematic order (spontaneously broken lattice rotational symmetry) which, in contrast to the iron pnictides, is not accompanied by an antiferromagnetic order. In one proposal, such properties of FeSe originate from the orbital degrees of freedom associated with the Fe's 3d electrons. In a competing proposition, spin physics is central to FeSe but magnetic frustration has replaced antiferromagnetism with a more exotic spin state. Here, we show that a frustrated spin-1 bilinear-biquadratic model on the square lattice displays quantum transitions between non-magnetic and antiferromagnetic phases, each of which is also nematic. Our large-scale density matrix renormalization group calculations show that tuning the ratio of competing interactions in the model induces a transition from a $(\pi,0)$ antiferroquadrupolar order to a $(\pi,0)$ antiferromagnetic state, either directly or through a $(\pi/2,\pi)$ antiferromagnetic order. Our findings explain the recent dramatic experimental observations of an orthorhombic antiferromagnetic order in the pressurized FeSe, and suggest that superconductivity in a wide range of iron-based materials has a common origin.

研究の動機と目的

• スピン異性性秩序の起源を理解すること。これは、従来の反強磁性秩序を示さないFeSeの特徴である。
• スピンのフラストレーションが、FeSeの非摂動的性質を説明する要因であるのか、それとも軌道自由度によるものなのかを調査すること。
• フラストレーションしたスピンモデルにおける量子相転移が、圧力下のFeSeで実験的に観測された正方晶反強磁性秩序を再現できるかを特定すること。
• 鉄系材料における超伝導が、フラストレーションしたスピン物理学に起因する共通の起源を持つ可能性を検討すること。

提案手法

• FeSeの磁気的相互作用をモデル化するため、正方形格子上にスピン1の双一次・双二次ハミルトニアンを用いる。
• 量子相転移を研究するために、大規模な密度行列ランキン法（DMRG）計算を実施する。
• 競合する双一次および双二次交換相互作用の比を調整し、異なる量子相を探索する。
• スピン構造因子および秩序パラメータの分析により、異性性および磁気的長距離秩序を特定する。
• 相転移中に中間相、特に$(\pi/2,\pi)$反強磁性状態を検討する。
• モデルの相図を、圧力下での正方晶反強磁性秩序に関する最近の実験的観測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正方形格子上にフラストレーションしたスピン1モデルが、FeSeで観測された異性性および反強磁性相を再現できるか？
• RQ2 このモデルにおける非磁性状態と反強磁性状態の間の量子相転移の性質は何か？
• RQ3 相転移は$(\pi,0)$反強磁性四極子秩序から直接$(\pi,0)$反強磁性秩序へ進行するのか、それとも中間の$(\pi/2,\pi)$状態を経由するのか？
• RQ4 このモデルは、圧力下のFeSeにおける正方晶反強磁性秩序の出現を説明できるか？
• RQ5 鉄系材料における超伝導が、フラストレーションしたスピン物理学に基づく共通のメカニズムを有する可能性はあるか？

主な発見

• フラストレーションしたスピン1双一次・双二次モデルは、$(\pi,0)$反強磁性四極子秩序の異性性相から$(\pi,0)$反強磁性秩序への量子相転移を示す。
• 相互作用の調整に応じて、相転移は直接的に行われるか、中間の$(\pi/2,\pi)$反強磁性相を経由するかのいずれかである。
• モデルは異性性および反強磁性の長距離秩序を両方生成し、圧力下のFeSeにおける実験的観測と整合的である。
• 計算された相図は、圧力下での正方晶反強磁性秩序の出現を説明でき、最近の実験結果と一致する。
• これらの結果は、軌道自由度ではなく、フラストレーションしたスピン物理学がFeSeおよび関連鉄系材料における超伝導メカニズムの中心的役割を果たしている可能性を示唆している。