[论文解读] Interplay between tetragonal magnetic order, stripe magnetism, and superconductivity in iron-based materials

Jian Kang, Xiaoyu Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

该论文提出，铁基超导体中四角晶格（C₄）和条纹（C₂）自旋密度波（SDW）序之间的相互作用，以及超导性，可通过一种巡游费米子模型得到一致解释。通过使用至六阶的吉纳斯堡-朗道自由能展开，研究发现C₄ SDW相仅在磁性转变温度Tₙ附近由于竞争相互作用而出现，并预测T_c存在两次突变：一次在C₄共存开始时发生下降，另一次在C₄到C₂相变时发生上升，与Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂中的实验相图完全一致。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments in Ba$_{1-x}$K$_{x}$Fe$_{2}$As$_{2}$ {[}A. E. Böhmer extit{et al}, to be published{]}, we analyze the type of spin-density wave (SDW) order in doped iron-pnictides and the discontinuities of the superconducting transition temperature $T_{c}$ in the coexistence phase with SDW magnetism. By tracking the magnetic transition line $T_{N}(x)$ towards optimal doping within an itinerant fermionic model, we find a sequence of transitions from the stripe-orthorhombic ($C_{2}$) SDW order to the tetragonal ($C_{4}$) order and then back to the $C_{2}$ order. We argue that the superconducting $T_{c}$ has two discontinuities -- it jumps to a smaller value upon entering the coexistence region with the $C_{4}$ magnetic phase, and then jumps to a larger value inside the SDW state when it crosses the boundary between the $C_{4}$ and $C_{2}$ SDW orders. The full agreement with the experimental phase diagram provides a strong indication that the itinerant approach is adequate to describe the physics of weakly/moderately doped iron-pnictides.

研究动机与目标

• 解释空穴掺杂铁砷化物（如Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂）中四角晶格（C₄）和条纹（C₂）自旋密度波（SDW）序的共存现象。
• 解释实验观测到的在C₄ SDW相边界处超导转变温度T_c的不连续性。
• 确定巡游费米子方法是否能定量描述相图，特别是C₄ SDW区域的狭窄范围及其在Tₙ附近的限制。
• 分析高阶吉纳斯堡-朗道项在仅在磁性不稳定性线附近稳定C₄相中的作用。
• 通过费米子相互作用导出的耦合常数，阐明s±-波超导与SDW序之间的相互作用。

提出的方法

• 推导包含至六阶项的耦合SDW和s±-波超导（SC）序参量的吉纳斯堡-朗道自由能泛函。
• 对GL自由能进行四阶展开，以确定Tₙ以下磁性不稳定性（C₄与C₂ SDW）的性质。
• 将GL展开扩展至六阶，以表明较大的磁序参量更有利于C₂相，从而解释C₄相范围有限的原因。
• 利用两口袋模型中的费米子格林函数和相互作用顶点，计算SC与SDW序参量之间的耦合常数。
• 分析s±-波SC与SDW序参量之间双二次耦合项的符号，以解释T_c在T_c ∩ Tₙ交叉点处发生不连续下降的原因。
• 评估C₂+SC与C₄+SC相之间的能量差，以解释在C₄到C₂相变时T_c出现的第二次不连续跃升。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂中，四角晶格（C₄）SDW相仅在最佳掺杂附近的狭窄掺杂范围内出现？
• RQ2 T_c的两次不连续跃迁（一次在C₄ SDW相共存开始时，另一次在C₄到C₂ SDW相变时）是由什么机制引起的？
• RQ3 近空穴和电子口袋的巡游费米子之间的相互作用如何导致仅破缺晶格旋转对称性的C₄ SDW序的稳定？
• RQ4 为何C₄ SDW相被限制在磁性转变温度Tₙ附近，而不会延伸至有序相区域？
• RQ5 吉纳斯堡-朗道展开中的高阶（六阶）项在决定C₄与C₂ SDW相稳定性方面起什么作用？

主要发现

• C₄ SDW相仅在Tₙ的中间值时出现，这是由于四阶GL系数的符号变化所致：在低和高Tₙ时倾向于C₂ SDW，而在中间Tₙ时倾向于C₄ SDW。
• C₄ SDW相被限制在Tₙ附近，是因为GL展开中的高阶（六阶）项在磁序参量较大时更有利于C₂相。
• 由于s±-波超导与SDW序参量之间存在负的双二次耦合，T_c在T_c与Tₙ线交叉点发生不连续下降。
• 在共存区域内，T_c在C₄到C₂ SDW相变时出现第二次不连续跃升至更高值，这是由于C₂+SC相的自由能更低所致。
• s±-波超导与SDW序参量之间的耦合常数c_s在整个掺杂范围（包括整个C₄相区域）内保持正值，表明SC与SDW之间存在强烈竞争。
• 该模型再现了Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂实验相图的所有关键特征，包括狭窄的C₄相和两次T_c不连续跃迁，验证了巡游费米子方法在弱至中等掺杂铁砷化物中的适用性。