[论文解读] Hidden antiferro-nematic order in Fe-based superconductor BaFe$_2$As$_2$ and NaFeAs above $T_S$

Seiichiro Onari, Hiroshi Kontani|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2019

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

该论文提出，在铁基超导体BaFe₂As₂和NaFeAs中，高于结构相变温度$T_S$的$T^*$温度下，会出现波矢为$\bm{q} = (0,\pi)$的隐藏反铁电-向列序，解释了微小但有限的向列性、赝能隙和影子能带。该序源于$d_{xy}$-空穴口袋与电子口袋之间的轨道间嵌套，由自旋涨落干涉驱动，自然解释了$T$-线性向列性以及FeSe中$T^*$的缺失。

ABSTRACT

In several Fe-based superconductors, slight $C_4$ symmetry breaking occurs at $T^*$, which is tens of Kelvin higher than the structural transition temperature $T_S$. In this "hidden" nematic state at $T_S

研究动机与目标

• 解决铁基超导体中在$T_S$以上但$T^*$以下的隐藏向列态长期存在的谜题，即尽管正交度极小，却存在真正的二级相变。
• 解释在BaFe₂As₂和NaFeAs中观测到的$T$-线性向列性$\psi \propto T^* - T$的起源。
• 阐明为何FeSe中不存在$T^*$，因其缺乏该机制所必需的$d_{xy}$-轨道空穴口袋。
• 通过反铁键（AFB）序的单一微观机制统一解释赝能隙、能带折叠与向列性。

提出的方法

• 该研究采用可调参数$r$的二维八轨道$d$-$p$ Hubbard模型，模拟BaFe₂As₂、NaFeAs和FeSe。
• 利用随机相位近似（RPA）和动力学顶点（DW）近似计算自旋和向列性响应函数，识别出在$\bm{q} = (0,\pi)$处的主导涨落。
• AFB序参数源于反铁磁与铁磁自旋涨落的相互作用，通过$d_{xy}$-空穴口袋与电子口袋之间的轨道间嵌套介导。
• 从DW方程微观计算AFB序的形貌因子，从而构建$k$-依赖的配对相互作用。
• 通过包含RPA和DW介导相互作用的Eliashberg方程求解超导能隙函数，能量截断为$W_c = 0.02$ eV。
• 在簇动力学平均场理论（CA）框架中验证理论，确认AFB序在强度上超过铁磁轨道序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BaFe₂As₂和NaFeAs中，$T^*$处隐藏向列相变的微观起源是什么？该相变发生于$T_S$以上，且表现出$T$-线性向列性？
• RQ2 为何FeSe中不出现$T^*$相变，尽管其电子结构特征相似？
• RQ3 波矢为$\bm{q} = (0,\pi)$的反铁键（AFB）序如何在不破坏$T_S$处铁磁轨道序的前提下，解释赝能隙、能带折叠与微小向列性的共存？
• RQ4 $d_{xy}$-空穴口袋与电子口袋之间的轨道间嵌套在驱动AFB序中起什么作用？
• RQ5 AFB涨落能否介导$s_{++}$-波超导配对？该机制与传统自旋涨落配对有何不同？

主要发现

• 波矢为$\bm{q} = (0,\pi)$的反铁键（AFB）序在$T^*$处出现，解释了BaFe₂As₂和NaFeAs中的隐藏向列相变。
• AFB序源于$d_{xy}$-轨道空穴口袋与电子口袋之间的轨道间嵌套，由反铁磁与铁磁自旋涨落的干涉驱动。
• AFB序在态密度中产生赝能隙，并诱导$T$-线性向列性$\psi \propto T^* - T$，与BaFe₂As₂和NaFeAs中的实验结果一致。
• AFB序与$T_S$处的铁磁轨道（FO）序共存，因其具有不同的轨道成分，解释了在$T^*$处自旋与向列性响应函数中无强异常。
• AFB涨落产生在$\bm{q} = (0,\pi)$处的强吸引相互作用$\bar{I}^{\bm{q}} \sim 9$ eV，导致全能隙的$s_{++}$-波超导态。
• 该机制解释了FeSe中$T^*$的缺失，因其缺乏实现AFB序所必需的$d_{xy}$-轨道空穴口袋。