[论文解读] 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 15

一句话总结

本研究利用偏振依赖角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道显微镜（STM），解析了母体铁砷化物中磁性的微观起源，识别出一种由特定d轨道之间嵌套驱动的新型轨道选择性、各向异性能隙自旋密度波（SDW）态。关键发现是，仅一对具有相反镜像对称性的能带——α₃和β₁——在约50 meV的能量尺度上表现出SDW不稳定性，证实了其为巡游电子、嵌套驱动的机制，而非局域磁矩。

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.

研究动机与目标

• 确定母体铁砷化物中的磁性是否源于局域磁矩或巡游自旋密度波（SDW）不稳定性。
• 尽管存在表面重构和污染效应，仍能分离出SrFe2As2中具有体相代表性的电子结构。
• 识别出导致SDW不稳定性与反铁磁序的特定d轨道和能带集合。
• 解决铁基超导体中长期存在的局域磁矩（海森伯）与巡游电子（SDW）机制之间的争议。

提出的方法

• 在10 K下对解理后的SrFe2As2表面进行偏振依赖角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以获取轨道分辨的电子结构。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）测绘表面重构，并与ARPES特征相关联，识别出由表面引起的能带折叠。
• 比较T_M = 190 K以上与以下的ARPES数据，基于温度依赖的谱线演化，区分体相衍生态与表面效应。
• 通过光电子偏振的轨道对称性分析，将d轨道特征分配给各个能带。
• 通过分析能带色散和谱权重在SDW转变过程中的演化，绘制费米面拓扑结构与能隙各向异性。
• 结合LDA能带结构计算，解释嵌套驱动的SDW机制，并验证观测到的费米面拓扑结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在母体铁砷化物中，哪些电子能带和d轨道导致了磁性序？
• RQ2 SrFe2As2中的磁性是否源于局域磁矩，还是巡游自旋密度波（SDW）不稳定性？
• RQ3 尽管存在表面重构和污染，能否在ARPES中可靠地获取体相电子结构？
• RQ4 磁有序相中SDW能隙的对称性与各向异性如何？
• RQ5 所观测到的费米面拓扑结构是支持还是反驳了SDW嵌套机制？

主要发现

• 仅一对具有相反镜像对称性的能带——α₃和β₁——在约50 meV的能量尺度上表现出SDW不稳定性。
• α₃和α₄能带与表面重构（Q_SR = (π/2, π/2)）相关，而α₁和α₂能带保持体相特性，对表面变化不敏感。
• 在T_M以下的费米面由位于M点的菱形电子口袋和四个花瓣形空穴口袋组成，与嵌套驱动的SDW态一致。
• 各向异性能隙形成（Δ_y ≈ 58 meV，Δ_x ≠ 0）导致具有节点特性的两倍对称费米面，与弱耦合平均场理论预测相符。
• Q_SDW = (π,0)与Q_SDW = (0,π)结构域共存，解释了ARPES中费米面呈现四倍对称性，尽管其本征对称性为两倍。
• 观测到的轨道选择性、各向异性能隙SDW态排除了基于局域磁矩的理论，支持磁性与超导性的巡游电子、嵌套驱动机制。