[论文解读] Frustrated magnetism and quantum transitions of nematic phases in FeSe

Wen-Jun Hu, Hsin-Hua Lai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本文提出，在正方晶格上，受挫的自旋-1双线性-双二次相互作用可驱动FeSe中向列相、非磁性相与反铁磁相之间的量子相变。大尺度密度矩阵重整化组计算表明，调节相互作用比可诱导从$(\pi,0)$反铁四极序到$(\pi,0)$反铁磁序的相变，该过程可直接发生，或经由$(\pi/2,\pi)$态实现，从而解释了压力下观测到的正交晶系反铁磁序，并暗示铁基超导体中超导性的统一起源。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often emerges near antiferromagnetic order. This paradigm applies to many iron-based superconductors, but the iron chalcogenide FeSe represents a major puzzle. Its normal state has a nematic order (spontaneously broken lattice rotational symmetry) which, in contrast to the iron pnictides, is not accompanied by an antiferromagnetic order. In one proposal, such properties of FeSe originate from the orbital degrees of freedom associated with the Fe's 3d electrons. In a competing proposition, spin physics is central to FeSe but magnetic frustration has replaced antiferromagnetism with a more exotic spin state. Here, we show that a frustrated spin-1 bilinear-biquadratic model on the square lattice displays quantum transitions between non-magnetic and antiferromagnetic phases, each of which is also nematic. Our large-scale density matrix renormalization group calculations show that tuning the ratio of competing interactions in the model induces a transition from a $(\pi,0)$ antiferroquadrupolar order to a $(\pi,0)$ antiferromagnetic state, either directly or through a $(\pi/2,\pi)$ antiferromagnetic order. Our findings explain the recent dramatic experimental observations of an orthorhombic antiferromagnetic order in the pressurized FeSe, and suggest that superconductivity in a wide range of iron-based materials has a common origin.

研究动机与目标

• 理解FeSe中向列序的起源，其缺乏传统的反铁磁序。
• 研究自旋阻挫而非轨道自由度是否可解释FeSe的非传统性质。
• 确定受挫自旋模型中的量子相变是否能再现压力下FeSe中实验观测到的正交晶系反铁磁序。
• 探讨铁基材料中超导性是否共享一个源于受挫自旋物理的共同起源。

提出的方法

• 在正方晶格上采用自旋-1双线性-双二次哈密顿量来模拟FeSe的磁相互作用。
• 利用大尺度密度矩阵重整化组（DMRG）计算研究量子相变。
• 调节竞争性双线性和双二次交换相互作用的比值，以探索不同的量子相。
• 通过分析自旋结构因子和序参量，识别向列序与磁性长程序。
• 在相变过程中考察中间相，包括$(\pi/2,\pi)$反铁磁态。
• 将模型的相图与近期关于压力下正交晶系反铁磁序的实验观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在正方晶格上，受挫的自旋-1模型能否再现FeSe中观测到的向列相与反铁磁相？
• RQ2 该模型中非磁性相与反铁磁性相之间的量子相变本质为何？
• RQ3 该相变是否直接从$(\pi,0)$反铁四极序过渡到$(\pi,0)$反铁磁序，或经由中间的$(\pi/2,\pi)$态进行？
• RQ4 该模型能否解释压力下FeSe中正交晶系反铁磁序的出现？
• RQ5 是否存在一个统一的、基于自旋的机制，解释铁基材料中超导性的起源？

主要发现

• 受挫的自旋-1双线性-双二次模型表现出从$(\pi,0)$反铁四极序向列相到$(\pi,0)$反铁磁序的量子相变。
• 该相变可直接发生，或经由中间的$(\pi/2,\pi)$反铁磁相发生，具体取决于相互作用的调节。
• 该模型同时产生向列序与反铁磁长程序，与压力下FeSe的实验观测一致。
• 计算得到的相图解释了压力下正交晶系反铁磁序的出现，与近期实验结果相符。
• 研究结果表明，受挫自旋物理而非轨道自由度，可能是FeSe及其相关铁基材料中超导机制的核心。