[论文解读] The distinct in-plane resistivity anisotropy in the nematic states of detwinned NaFeAs and FeTe single crystals: evidences for Hund's rule metal

Juan Jiang, C. He+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2012

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究揭示了单 twins NaFeAs 和 FeTe 单晶中平面内电阻率各向异性的显著差异：在 NaFeAs 中，反铁磁（AFM）方向的电阻率较低，而在 FeTe 中，AFM 方向的电阻率较高。这种相反的行为归因于洪特定律耦合：在 NaFeAs（巡游电子区），$J_H$ 驱动电子向列性与能带重构；而在 FeTe（局域电子区），$J_H$ 产生一种有效势垒，阻碍电子沿 AFM 方向的跃迁，类似于锰氧化物中的巨大磁阻效应。研究结果确立了洪特定律耦合是铁基超导体中主导的关联机制。

ABSTRACT

The in-plane resistivity anisotropy has been studied with the Montgomery method on two detwinned parent compounds of the iron-based superconductors, NaFeAs and FeTe. For NaFeAs, the resistivity in the antiferromagnetic (AFM) direction is smaller than that in the ferromagnetic (FM) direction, similar to that observed in BaFe2As2 before. While for FeTe, the resistivity in the AFM direction is larger than that in the FM direction. We show that these two opposite resistivity anisotropy behaviors could be attributed to the strong Hund's rule coupling effects: while the iron pnictides are in the itinerant regime, where the Hund's rule coupling causes strong reconstruction and nematicity of the electronic structure; the FeTe is in the localized regime, where Hund's rule coupling makes hopping along the FM direction easier than along the AFMdirection, similar to the colossal magnetoresistance observed in some manganites.

研究动机与目标

• 研究铁基超导体母相化合物 NaFeAs 和 FeTe 的平面内电阻率各向异性。
• 理解 NaFeAs（AFM 方向电阻率较低）与 FeTe（AFM 方向电阻率较高）之间电阻率各向异性行为相反的起源。
• 确定洪特定律耦合（$J_H$）是否为铁基超导体中驱动电子向列性和磁序的主导局域关联机制。
• 将多个铁基化合物中的能带重构能量尺度（$\Delta_{H0}$）、有序磁矩与奈尔温度（$T_N$）相关联，以评估洪特定律金属物理的普适性。

提出的方法

• 通过一种专为绝缘中间层设计的机械装置施加单轴应变，实现 NaFeAs 和 FeTe 单晶的去孪。
• 采用蒙哥马利法测量平面内电阻率，通过在两个正交方向上施加电流并测量电压，实现对不同晶轴方向电阻率的精确测定。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）提取电子能带结构，并识别两种材料中的向列电子重构。
• 分析电阻率各向异性随温度的变化，以确定向列序的起始温度（$T_A$），并与磁性转变温度（$T_N$）进行比较。
• 将能带重构的能量尺度（$\Delta_{H0}$）与多个铁基化合物中的 $T_N$ 和磁矩相关联，以评估 $J_H$ 在电子向列性中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 NaFeAs 沿 AFM 方向电阻率较低，而 FeTe 沿同一方向电阻率较高，尽管两者均处于向列态？
• RQ2 洪特定律耦合（$J_H$）在巡游电子区（NaFeAs）与局域电子区（FeTe）中如何差异化地影响电子结构与输运各向异性？
• RQ3 即使在局域库仑排斥 $U$ 不强的情况下，$J_H$ 在多大程度上主导铁基超导体中的局域电子关联？
• RQ4 所观察到的电阻率各向异性是否可用统一的洪特定律金属框架来解释不同铁基化合物中的行为？
• RQ5 能带重构的能量尺度（$\Delta_{H0}$）、磁序（$T_N$）与有序磁矩在铁基超导体中存在何种关系？

主要发现

• 在 NaFeAs 中，沿 AFM 方向的电阻率低于沿 FM 方向，与 BaFe2As2 中观察到的行为一致，表明由洪特定律耦合驱动的向列电子重构。
• 在 FeTe 中，沿 AFM 方向的电阻率高于沿 FM 方向，与 NaFeAs 相反，表明 $J_H$ 抑制了沿 AFM 方向的电子跃迁。
• NaFeAs 与 FeTe 中电阻率各向异性的相反行为源于 $J_H$ 的不同表现形式：在 NaFeAs 中，$J_H$ 在巡游电子区诱导向列能带重构；在 FeTe 中，$J_H$ 在局域电子区形成有效势垒，类似于巨大磁阻效应。
• 能带重构的能量尺度（$\Delta_{H0}$）在铁基化合物中与 $T_N$ 呈单调相关，支持 $J_H$ 作为向列序普遍驱动力的角色。
• FeTe 中的有序磁矩（约 2 $\mu_B$）显著大于具有相似 $T_N$ 的铁砷化物，表明 FeTe 中 $J_H$ 驱动效应更强，与其中电子局域性特征一致。
• ARPES 测量显示，FeTe 中的能带重构发生在较宽的能量范围内，并表现出极小极子特征，进一步支持电子的局域性以及 $J_H$ 在形成自陷态中的作用。