[论文解读] Nematic spin fluid in the tetragonal phase of BaFe2As2

Leland Harriger, Huiqian Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Iron-based superconductors research被引用 18

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射证明，BaFe2As2 的正交相在反铁磁转变温度（TN）以上表现出一种具有面内自旋各向异性的向列自旋液体。顺磁相中布里渊区边界附近各向异性自旋激发的持续存在表明，自旋向列序——由电子向列性驱动——先于并可能介导结构相变和磁性相变，为电子向列性在铁基超导体中所起作用提供了关键见解。

ABSTRACT

Magnetic interactions are generally believed to play a key role in mediating electron pairing for superconductivity in iron arsenides; yet their character is only partially understood. Experimentally, the antiferromagnetic (AF) transition is always preceded by or coincident with a tetragonal to orthorhombic structural distortion. Although it has been suggested that this lattice distortion is driven by an electronic nematic phase, where a spontaneously generated electronic liquid crystal state breaks the C4 rotational symmetry of the paramagnetic state, experimental evidence for electronic anisotropy has been either in the low-temperature orthorhombic phase or the tetragonal phase under uniaxial pressure that breaks this symmetry. Here we use inelastic neutron scattering to demonstrate the presence of a large in-plane spin anisotropy above TN in the unstressed tetragonal phase of BaFe2As2. In the low-temperature orthorhombic phase, we find highly anisotropic spin waves with a large damping along the AF a-axis direction. On warming the system to the paramagnetic tetragonal phase, the low-energy spin waves evolve into quasi-elastic excitations, while the anisotropic spin excitations near the zone boundary persist. These results strongly suggest that the spin nematicity we find in the tetragonal phase of BaFe2As2 is the source of the electronic and orbital anisotropy observed above TN by other probes, and has profound consequences for the physics of these materials.

研究动机与目标

• 研究在无长程磁序的顺磁正交相 BaFe2As2 中是否存在自旋各向异性。
• 确定电子向列性（打破C4旋转对称性）是否在反铁磁转变之前于自旋自由度中显现。
• 阐明自旋向列性在正交相到正交相结构相变中的作用。
• 建立自旋各向异性与正交相中观测到的电子和轨道各向异性之间的联系。

提出的方法

• 采用非弹性中子散射（INS）探测单晶 BaFe2As2 在正交相和正交相中的自旋激发谱。
• 在 TN 以下和以上温度下进行测量，以比较顺磁态和反铁磁态中的自旋动力学。
• 分析自旋波色散关系和谱权重，以检测自旋激发强度和能量依赖性的各向异性。
• 将数据与自旋向列序和自旋波理论的理论模型进行比较，以评估各向异性激发的性质。
• 对自旋激发的动量依赖性进行了详细分析，尤其关注布里渊区边界附近区域。
• 利用中子散射的补充数据验证顺磁相中各向异性持续存在的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 BaFe2As2 的顺磁正交相中，尽管不存在长程磁序，自旋各向异性是否在 TN 以上仍持续存在？
• RQ2 正交相中观测到的面内自旋各向异性的来源是什么？它是否与电子向列性相关？
• RQ3 自旋激发如何从低温正交相演化至顺磁正交相？
• RQ4 在布里渊区边界附近的各向异性自旋激发在顺磁态中能持续多远，表明是否存在一种向列自旋液体？
• RQ5 观测到的自旋各向异性是否与打破旋转对称性的自旋向列态一致？

主要发现

• 在 BaFe2As2 的顺磁正交相中观测到显著的面内自旋各向异性，表明存在自旋向列序。
• 在低温正交相中，自旋波在反铁磁 a 轴方向表现出强烈阻尼，表明自旋动力学具有各向异性。
• 升温进入正交相后，低能自旋波演化为准弹性激发，但布里渊区边界附近的各向异性自旋激发仍持续存在。
• 顺磁相中各向异性自旋激发的持续存在强烈表明在 TN 以上存在一种向列自旋液体态。
• 结果表明，正交相中的自旋向列性是其他探测手段（如电阻率和光学测量）所观测到的电子和轨道各向异性的来源。
• 研究结果表明，自旋向列序在驱动结构相变中起着根本性作用，且可能影响铁砷化物中的超导配对。