[论文解读] First-principles investigation of effect of pressure on BaFe$_2$As$_2$

Wenhui Xie, Mingli Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2008

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本首理论研究采用全势线性化缀加平面波方法的密度泛函理论，研究了压力对BaFe₂As₂的影响。结果表明，条纹反铁磁态在13 GPa压力下仍保持稳定，体压缩率高达6.4 GPa，且在约6 GPa处揭示了费米面拓扑转变，该转变与结构变化及超导性的丧失相关。

ABSTRACT

On experimental side, BaFe$_2$As$_2$ without doping has been made superconducting by applying appropriate pressure (2-6 GPa). Here, we use a full-potential linearized augmented plane wave method within the density-functional theory to investigate the effect of pressure on its crystal structure, magnetic order, and electronic structure. Our calculations show that the striped antiferromagnetic order observed in experiment is stable against pressure up to 13 GPa. Calculated antiferromagnetic lattice parameters are in good agreements with experimental data, while calculations with nonmagnetic state underestimate Fe-As bond length and c-axis lattice constant. The effects of pressure on crystal structure and electronic structure are investigated for both the antiferromagnetic state and the nonmagnetic one. We find that the compressibility of the antiferromagnetic state is quite isotropic up to about 6.4 GPa. With increasing pressure, the FeAs$_4$ tetrahedra is hardly distorted. We observe a transition of Fermi surface topology in the striped antiferromagnetic state when the compression of volume is beyond 8% (or pressure 6 GPa), which corresponds to a large change of $c/a$ ratio. These first-principles results should be useful to understanding the antiferromagnetism and electronic states in the FeAs-based materials, and may have some useful implications to the superconductivity.

研究动机与目标

• 理解压力诱导的BaFe₂As₂晶体结构、磁性和电子结构的演化。
• 阐明反铁磁序在决定高压下结构和电子性质中的作用。
• 探究高压下超导性的起源及其与费米面拓扑的关系。
• 对比反铁磁态与非磁态的预测结果，评估自旋极化的相对重要性。
• 为解释实验中观察到的压力诱导超导性和结构转变提供理论基础。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）框架下的全势线性化缀加平面波（FP-LAPW）方法。
• 在电子结构计算中同时使用局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）。
• 执行自洽计算，收敛标准为电荷密度和原子受力。
• 将As原子内部参数z_As弛豫至原子受力低于1 mRy/a.u.。
• 采用高k点采样（反铁磁态为500，非磁态≥1500）进行布里渊区积分。
• 对比条纹反铁磁态与非磁态的结果，以分离磁性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 压力如何影响BaFe₂As₂中条纹反铁磁序的稳定性？
• RQ2 自旋极化在决定高压下晶格常数和Fe-As键长方面起什么作用？
• RQ3 费米面是否在压力下发生拓扑转变？若发生，发生在何种压力下，原因是什么？
• RQ4 反铁磁态与非磁态在晶体压缩性方面有何差异？
• RQ5 c/a比塌陷与超导性出现或丧失之间存在何种关系？

主要发现

• 条纹反铁磁态在13 GPa内保持稳定，计算得到的晶格常数与实验数据高度一致。
• 非磁性计算低估了c轴晶格常数和Fe-As键长，并得出小于实验值的z_As。
• 反铁磁态在高达6.4 GPa时表现出近乎各向同性的压缩性，而非磁态则表现出更强的c轴压缩。
• 在反铁磁态下，FeAs₄四面体在压力下几乎保持不变形。
• 在约6 GPa（或8%体积压缩）处发生费米面拓扑转变，该转变与c/a比的显著变化相关。
• 该转变与c轴软化相关，可能解释了在更高压力下超导性的丧失。