[论文解读] Is there a hidden chiral density-wave in the iron-based superconductors?

Rafael M. Fernandes, Steven A. Kivelson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本文提出，在铁基超导体中，某些磁有序基态——特别是棋盘形电荷-自旋密度波（CSDW）或自旋涡晶格（SVC）——可经历两步熔化过程，形成具有残留序的中间相：CSDW 对应电荷密度波（CDW），SVC 对应一种新型自旋涡度密度波（SVDW）。SVDW 相具有破坏空间反演但保持时间反演对称性的矢量手性序参量，可激发戈色勒模式（Goldstone modes），并可能增强超导性。

ABSTRACT

Superconductivity in most iron pnictides and iron chalcogenides is found near an instability towards an orthorhombic stripe magnetic state. A remarkable property of the latter is that its melting into the tetragonal paramagnetic phase happens generally in two stages, resulting in a nematic paramagnetic phase that breaks the point-group symmetry. Recent experiments in hole-doped iron arsenides, however, revealed a magnetically ordered ground state that preserves tetragonal symmetry, which is likely either a checkerboard charge-and-spin density wave (CSDW) or a spin-vortex crystal (SVC). Here we show that either of these phases can also melt in two stages, resulting in an intermediate phase with vestigial order, namely: a charge density-wave (CDW) for a CSDW ground state, and a remarkable spin-vorticity density-wave (SVDW) for a SVC ground state. While the CDW has an Ising-like order parameter, the SVDW has a vector chiral order parameter that breaks inversion without breaking time-reversal symmetry, giving rise to Goldstone modes. We propose experimentally detectable signatures of these phases, and point out that their fluctuations can lead to an enhancement of the superconducting transition temperature.

研究动机与目标

• 研究具有四重对称性的磁有序基态的铁基超导体中，两步熔化转变的可能性。
• 探讨此类转变是否可导致具有残留序的中间相，特别关注自旋涡度密度波（SVDW）序。
• 识别这些新相的实验可观测特征，特别是具有矢量手性序参量的 SVDW。
• 研究这些相中涨落对超导转变温度的增强作用。

提出的方法

• 利用群论分析与有效场论，对具有四重对称性的铁基超导体中的可能序参量进行分类。
• 建模 CSDW 与 SVC 有序态向具有残留序的中间相（分别为 CDW 与 SVDW）的两步熔化过程。
• 分析序参量结构：CDW 具有类似伊辛的标量序参量，而 SVDW 具有破坏空间反演但不破坏时间反演对称性的矢量手性序参量。
• 由于与矢量手性序相关的连续对称性自发破缺，SVDW 相中出现戈色勒模式。
• 推导有效作用量及允许的对称性耦合，以预测中子散射、NMR 和 ARPES 中的可观测信号。
• 通过重整化群或涨落交换方法，评估 SVDW 与 CDW 涨落在超导配对中的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁基超导体中，棋盘形电荷-自旋密度波（CSDW）或自旋涡晶格（SVC）基态是否可经历两步熔化，形成具有残留序的中间相？
• RQ2 当基态为自旋涡晶格（SVC）时，中间相的序参量性质为何？
• RQ3 SVC 熔化形成的中间相是否具有破坏空间反演但保持时间反演对称性的矢量手性序参量？
• RQ4 所提出的自旋涡度密度波（SVDW）相的实验可观测特征是什么？
• RQ5 SVDW 或 CDW 相的涨落是否可增强铁基超导体的超导转变温度？

主要发现

• 在铁基超导体中，CSDW 与 SVC 基态均可经历两步熔化转变，形成具有残留序的中间相。
• 对于 CSDW 基态，中间相为电荷密度波（CDW），其序参量为类似伊辛的标量序参量。
• 对于 SVC 基态，中间相为自旋涡度密度波（SVDW），其序参量为破坏空间反演但不破坏时间反演对称性的矢量手性序参量。
• 由于与矢量手性序相关的连续对称性自发破缺，SVDW 相中存在戈色勒模式。
• SVDW 相在自旋与轨道自由度中表现出独特的手性纹理，可能通过圆偏振中子散射或 NMR 检测。
• SVDW 与 CDW 相的涨落可通过介效应配对相互作用，增强超导转变温度。