[论文解读] Magnetic properties and pairing tendencies of the iron-based superconducting ladder BaFe$_2$S$_3$: combined ab initio and density matrix renormalization group study

Niravkumar D. Patel, Alberto Nocera+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2016

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究结合从头算计算与密度矩阵重正化群（DMRG）方法，推导出铁基超导 ladder BaFe₂S₃ 的双轨道 Hubbard 模型。结果表明，在强关联耦合 regime 下，空穴掺杂可诱导配对，空穴对通过反铁磁关联形成，且表现出轨道选择性 Mott 相行为，提示其超导机制与铜氧化物 ladder 类似。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity under high pressure in the two-leg ladder compound BaFe$_2$S$_3$ [H. Takahashi et al., Nature Materials 14, 1008 (2015)] opens a broad avenue of research, because it represents the first report of pairing tendencies in a quasi one-dimensional iron-based high critical temperature superconductor. Similarly as in the case of the cuprates, ladders and chains can be far more accurately studied using many-body techniques and model Hamiltonians than their layered counterparts, particularly if several orbitals are active. In this publication, we derive a two-orbital Hubbard model from first principles that describes individual ladders of BaFe$_2$S$_3$. The model is studied with the density matrix renormalization group. These first reported results are exciting for two reasons: (i) at half-filling, ferromagnetic order emerges as the dominant magnetic pattern along the rungs of the ladder, and antiferromagnetic order along the legs, in excellent agreement with neutron experiments; (ii) pairs form in the strong coupling regime, as found by studying the binding energy of two holes doped on the half-filled system. In addition, Orbital Selective Mott Phase characteristics develop with doping, with only one Wannier orbital receiving the hole carriers while the other remains half-filled. These results suggest that the analysis of models for iron-based two-leg ladders could clarify the origin of pairing tendencies and other exotic properties of iron-based high critical temperature superconductors.

研究动机与目标

• 为了理解最近发现的高压超导体 BaFe₂S₃——一种准一维铁基 ladder 中的磁性与配对机制。
• 从第一性原理出发，推导出能准确描述 BaFe₂S₃ 电子结构的现实双轨道 Hubbard 模型。
• 利用强关联理论方法，研究该体系中磁性、电子关联与超导配对倾向之间的相互作用。
• 确定反铁磁涨落是否可在双轨道模型中介导空穴配对，类似于铜氧化物 ladder 的机制。
• 探索在真实铁基 ladder 模型中，空穴掺杂下轨道选择性 Mott 行为的出现。

提出的方法

• 利用从头算计算，从 BaFe₂S₃ 的电子结构中推导出包含超越近邻跃迁的双轨道 Hubbard 模型。
• 采用在有限尺寸簇（8×2）上的密度矩阵重正化群（DMRG）方法研究所推导的模型，以处理强电子关联效应。
• 计算磁序参数与自旋结构因子，以与中子散射实验数据进行比较。
• 计算两个掺杂空穴的结合能，以探测强关联耦合 regime 下的配对倾向。
• 分析轨道分辨的空穴密度与自旋关联，以检测轨道选择性 Mott 相的特征。
• 对掺杂空穴对的波函数进行分析，以识别配对对称性与空间关联，包括腿间与对角面元构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 从第一性原理推导出的双轨道 Hubbard 模型是否能再现 BaFe₂S₃ 中实验观测到的磁序？
• RQ2 在掺杂体系中，反铁磁涨落是否可导致空穴对的形成，提示一种配对机制？
• RQ3 轨道选择性在掺杂相中起什么作用？是否表明轨道选择性 Mott 相的形成？
• RQ4 在 ladder 模型的强关联耦合 regime 下，自旋关联与空穴配对构型如何演化？
• RQ5 在掺杂体系中是否存在与铜氧化物双腿 ladder 机制类似的配对证据？

主要发现

• 在半满体系中，观察到沿腿方向反铁磁耦合的腿间铁磁序，与中子衍射实验结果高度一致。
• 在空穴掺杂下，体系对两个空穴表现出显著的结合能，表明在强关联耦合 regime 下形成了空穴对。
• 仅两个 Wannier 轨道中的一个在掺杂后被占据，表明轨道选择性 Mott 相的出现。
• 空穴对主要通过反铁磁关联形成，主导配对构型位于 Fe 四边形的腿与对角线上。
• 波函数分析显示，两个空穴在腿之间振荡，其过程由空穴两侧的反铁磁自旋关联所促进，支持由自旋涨落驱动的配对机制。
• 结果表明，双轨道 ladder 中的反铁磁涨落可介导超导性，为铁基超导体提供了一种合理的超导机制。