[论文解读] Field theory for magnetic and lattice structure properties of Fe_{1+y}Te_{1-x}Se_x

Cenke Xu, Jiangping Hu|ArXiv.org|Mar 26, 2009

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本文提出了一种广义的吉纳斯堡-朗道场论，用于描述Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓ中的磁序与晶格序，识别出两个伊辛序参量：一个对应于向键性（在1111/122体系中常见），另一个则使原胞加倍并稳定共线自旋密度波序。该理论表明，调节第二个伊辛参量可驱动共线与非共线SDW相之间的相变，相变成类属于平均场或z=3量子临界 universality 类，具体取决于费米面拓扑结构。

ABSTRACT

We study the magnetism and lattice distortion of Fe_{1+y}Te_{1-x}Se_x with a general field theory formalism, motivated by recent neutron scattering experiments. Besides the Ising nematic order parameter which can be naturally defined in the 1111 and 122 materials, We show that the collinear order observed in $\mathrm{Fe_{1+y}Te}$ materials is stabilized by an extra Ising order parameter which doubles the generalized unit cell of the system. By tuning this Ising order parameter, one can drive a transition between collinear and noncollinear spin density wave orders, both of which are observed in the FeTe family. The nature of the quantum and classical phase transitions are also studied in this field theory formalism, with lattice strain tensor fluctuation considered.

研究动机与目标

• 基于中子散射和角分辨光电子能谱实验，发展一种适用于Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓ磁性与晶格畸变的通用场论形式化方法。
• 通过一个额外的伊辛序参量（使原胞加倍）解释FeTe基体系中稳定共线自旋密度波（SDW）序的机制。
• 分析SDW、向键性与晶格有序相之间量子与经典相变的本质。
• 确定费米面拓扑结构（特别是能隙与无能隙费米口袋）如何影响相变的临界行为与动力学指数z。
• 预测在Se共掺杂下伊辛序的鲁棒性及其与超导性的共存可能性。

提出的方法

• 为FeTe基体系中的自旋与晶格自由度构建吉纳斯堡-朗道-赫茨-米尔斯场论，引入两个伊辛序参量：Φ₁ ∼ φ₁·φ₃ 与 Φ₂ ∼ φ₂·φ₄。
• 使用二维有效拉格朗日量建模量子相变，包含序参量涨落项：L = ∑ₐ(ω² + v²_σ q² + r₁)|σₐ|² + (ω² + v²_Φ q² + r₂)|Φ|² + f_Φ,σ Φ(σ₁² − σ₂²) + …
• 通过调节r₁与r₂研究相变行为，其中r对应于Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓ中的Se共掺杂。
• 考虑序参量与费米子粒子-空穴激发的耦合，引入如L_Φ,d ∼ |ω|/q |Φ|²（针对Φ，零动量）与L_σ,d ∼ |σ|² |ω|/q |σ|²（针对σₐ，携带动量）的衰减项。
• 基于动力学指数z对临界性进行分类：z=2对应3D伊辛（能隙），z=3对应3DXY（无能隙），后者为一阶相变。
• 通过群论分析表明，基态中Φ₁Φ₂ < 0，能量势垒大小为J₁²/J₃，符合J₁-J₂-J₃模型中的对称性破缺偏好。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个伊辛序参量——向键性与原胞加倍——如何协同作用，以在Fe₁₊ᵧTe₁₋ₓSeₓ中稳定共线自旋密度波序？
• RQ2 共线与非共线SDW相之间的量子相变本质为何？其行为如何依赖于费米面拓扑结构？
• RQ3 晶格应变涨落与费米子粒子-空穴激发如何改变相变的临界行为？
• RQ4 为何伊辛序比长程SDW序在Se共掺杂下更鲁棒？它们能否与超导性共存？
• RQ5 U(1)规范自由度在共线与共面相之间转变中起何作用？

主要发现

• FeTe中的共线SDW序由一个额外的伊辛序参量（Φ₁或Φ₂）稳定，该参量破坏镜面对称性并使原胞加倍，与1111/122材料中的向键性伊辛序不同。
• 共线与非共线SDW相之间的相变由调节第二个伊辛参量驱动，相图类似于具有竞争序参量的2+1D量子场论。
• 对于具有能隙费米面的体系，相变属于3D伊辛 universality 类，z=2；而对于无能隙费米口袋，由于Φ拉格朗日量中存在|ω|/q衰减项，相变变为z=3。
• σₐ与费米子的耦合在3D伊辛相变点引入一个相关扰动，导致在无能隙费米口袋存在时发生一阶相变。
• 基态偏好Φ₁Φ₂ < 0，能量势垒大小为J₁²/J₃，表明对单斜晶格畸变具有对称性破缺偏好。
• 预测伊辛序在更宽的掺杂范围内稳定，暗示其可能与超导性共存，并可通过偏振ARPES探测。