[论文解读] Emergent phases in iron pnictides: Double-Q antiferromagnetism, charge order and enhanced nematic correlations

Rong Yu, Ming Yi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本文提出，在接近最佳超导掺杂的空穴掺杂铁砷化物中，一种具有 $C_4$ 对称性的双-Q反铁磁序与 $(\pi,\pi)$ 电荷序共存，并表现出显著增强的向列性响应。通过采用 $w$-展开的吉茨堡-朗道理论，作者表明在不良金属区，量子涨落稳定了该相，从而解释了近期在122型铁砷化物中观测到的向列性涨落与电荷序现象。

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.

研究动机与目标

• 理解在铁砷化物量子临界点附近新型电子相的产生机制。
• 解释空穴掺杂122型铁砷化物中双-Q反铁磁性、电荷序与增强的向列性涨落共存的原因。
• 阐明电子关联作用，特别是通过谱权 $w$ 参数化，在最佳掺杂附近稳定竞争序的作用。
• 提供一个统一的理论框架，将铁基超导体中磁序、电荷序与向列序联系起来。

提出的方法

• 采用吉茨堡-朗道自由能的 $w$-展开，其中 $w$ 衡量相干谱权，以模拟不良金属区的电子关联效应。
• 引入归一化的相干电子算符 $c_{\mathbf{k}\alpha\sigma} = (1/\sqrt{w})d^{\text{coh}}_{\mathbf{k}\alpha\sigma}$，以促进在 $w$ 上的微扰展开。
• 构建包含耦合序参量（磁序：双-Q，电荷序，向列序）的吉茨堡-朗道作用量，尊重 $C_4$ 晶格对称性。
• 通过鞍点近似与配分函数的二次展开，推导序参量涨落的纵向与横向传播子。
• 从双-Q相中的纵向涨落计算向列性响应 $\chi^\text{tot}_\text{nem}$，并与顺磁相及单-Q相进行比较。
• 利用逆纵向传播子矩阵 $G^{-1}_{m,\sigma}$ 分析磁序、电荷序与向列序涨落之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 双-Q反铁磁序如何影响空穴掺杂铁砷化物中电荷序与向列性涨落的产生？
• RQ2 谱权 $w$ 在量子临界点附近稳定 $C_4$ 对称双_Quadrupole_相中起什么作用？
• RQ3 为何在双_Quadrupole_相中向列性响应比顺磁相或单-Q相显著增强？
• RQ4 量子涨落与电子关联（以 $w$ 参数化）如何影响磁序、电荷序与向列序之间的竞争？
• RQ5 能否通过统一的吉茨堡-朗道框架解释近期实验观测到的双_Quadrupole_AF、电荷序与增强向列性的共存现象？

主要发现

• 双_Quadrupole_反铁磁相中存在 $(\pi,\pi)$ 电荷序，与 (Ba,Sr)Fe2As2 在 Na/K 掺杂后实验观测结果一致。
• 由于纵向涨落，向列性响应在双_Quadrupole_相中显著增强，其表达式为 $\chi^{\text{DQ},\text{tot}}_{\text{nem}} \sim \frac{N\pi}{c\nu_n}\arctan\left(\frac{\nu_n}{\sqrt{2\tilde{\lambda}}}\right)$，超过顺磁相中的响应。
• 即使在弱磁序极限下，向列性响应仍与横向贡献相当，表明其增强具有鲁棒性。
• 增强效应源于有效能带中 $u_1 - u_2$ 与 $\tilde{\lambda}$ 项的相互作用，该作用降低了向列性涨落的能量尺度。
• 该理论将双_Quadrupole_AF、电荷序与增强向列性共存解释为 $w$-依赖量子涨落在量子临界点附近的自然结果。
• 该结果为近期空穴掺杂122型铁砷化物中观测到的向列性涨落与剪切模量异常现象提供了统一解释。