[论文解读] Nematicity and magnetism in FeSe and other families of Fe-based superconductors

Youichi Yamakawa, Seiichiro Onari+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

该论文通过多轨道框架下的顶点修正识别出强轨道-自旋耦合，解释了FeSe在结构相变以下缺乏磁性的原因，与其它铁基超导体形成对比。关键机制——由Aslamazov-Larkin顶点修正驱动的自旋涨落介导的轨道序——在FeSe中更强，因其$\bar{J}/\bar{U}$比值较小且$ d_{xz},d_{yz} $轨道权重占主导，从而在无磁序的情况下稳定了向列序。

ABSTRACT

Nematicity and magnetism are two key features in Fe-based superconductors, and their interplay is one of the most important unsolved problems. In FeSe, the magnetic order is absent below the structural transition temperature $T_{str}=90$K, in stark contrast that the magnetism emerges slightly below $T_{str}$ in other families. To understand such amazing material dependence, we investigate the spin-fluctuation-mediated orbital order ($n_{xz} eq n_{yz}$) by focusing on the orbital-spin interplay driven by the strong-coupling effect, called the vertex correction. This orbital-spin interplay is very strong in FeSe because of the small ratio between the Hund's and Coulomb interactions ($\bar{J}/\bar{U}$) and large $d_{xz},d_{yz}$-orbitals weight at the Fermi level. For this reason, in the FeSe model, the orbital order is established irrespective that the spin fluctuations are very weak, so the magnetism is absent below $T_{str}$. In contrast, in the LaFeAsO model, the magnetic order appears just below $T_{str}$ both experimentally and theoretically. Thus, the orbital-spin interplay due to the vertex correction is the key ingredient in understanding the rich phase diagram with nematicity and magnetism in Fe-based superconductors in a unified way.

研究动机与目标

• 解决FeSe在$T_{\rm str}$以下表现出向列序但无磁序的谜题，而其他铁基超导体则表现出磁序。
• 确定涉及向列序与磁性相互作用的铁基超导体丰富相图的微观起源。
• 确立强关联效应引起的顶点修正为理解驱动向列序的轨道-自旋耦合的关键。
• 通过聚焦轨道极化与自旋涨落的作用，统一描述铁基超导家族中的向列序。

提出的方法

• 采用自洽顶点修正（SC-VC）方法，研究真实第一性原理多轨道Hubbard模型中自旋涨落介导的轨道序。
• 使用高分辨率$512\times512$ $\bm{k}$-网格和$\sim2048$ Matsubara频率计算三线顶点函数$\Lambda_2(\bm{0};\bm{Q})$，以捕捉强温度依赖性。
• 采用Aslamazov-Larkin顶点修正（AL-VC）来模拟强关联效应引起的轨道-自旋模式耦合。
• 对比FeSe与LaFeAsO模型的结果，突出$\bar{J}/\bar{U}$与轨道特征的材料特异性差异。
• 应用功能微分重整化群（fRG）与能带结构计算，验证电子关联与轨道权重的作用。
• 采用两种平均相互作用定义（$\bar{U}, \bar{J}$ 与 $\tilde{U}, \tilde{J}$）以确保$\bar{J}/\bar{U}$比值分析的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何FeSe在$T_{\rm str}$以下表现出向列序但无磁序，而其他铁基超导体则表现出磁序？
• RQ2 顶点修正在多轨道体系中通过自旋涨落介导轨道序的作用是什么？
• RQ3 $\bar{J}/\bar{U}$比值如何影响铁基超导体中轨道序与磁序的稳定性？
• RQ4 由AL-VC驱动的轨道涨落在多大程度上解释了向列序 susceptibility 的Curie-Weiss行为？
• RQ5 FeSe中缺乏$ d_{xy} $空穴口袋如何增强其与其它体系相比的轨道-自旋耦合？

主要发现

• 由于FeSe的$\bar{J}/\bar{U} = 0.0945$较小且费米面上$ d_{xz}, d_{yz} $轨道权重较大，通过顶点修正的轨道-自旋耦合显著强于其他体系。
• 在FeSe中，即使自旋涨落微弱，顶点修正也能独立于磁涨落稳定$ n_{xz} \neq n_{yz} $轨道序，使轨道序得以出现。
• 三线顶点$|\Lambda_2(\bm{0};\bm{Q})|^2$在中等温度范围（$T \sim 20z \sim 100z$）呈现$T^{-1}$依赖性，驱动了向列序 susceptibility 的Curie-Weiss行为。
• 相比之下，LaFeAsO在$T_{\rm str}$以下表现出强磁序，因其更有利于自旋涨落，证实了材料特异性参数的关键作用。
• 顶点修正的$T$-依赖性解释了在FeSe与BaFe$_2$As$_2$中$T_{\rm str}$以上向列序 susceptibility 增强的现象，表明其具有共同的微观起源。
• 即使$\bar{J}/\bar{U}$稍大（如0.127），定性结果仍保持不变，证实该机制对小参数变化具有鲁棒性。