Tuning the interplay between nematicity and spin fluctuations in Na1-xLixFeAs superconductor

네마틱 상전이란 전자의 상호 작용에 의한 전자구조의 불완전성(instability)로 인해 결정의 높은 회전 대칭성이 붕괴되는 상전이 (가령 C4 에서 C2 대칭성으로 의 전이)를 의미하며, 이는 최근 철계 초전도체의 고온 초전도성을 이해하는 데에 있어 중요한 정렬 현상 중 하나이다. 이 네마틱 정렬 현상의 원인이 주로 전자의 스핀에 의한 것인지 또는 전하/오비탈 자유도에 의한 것 인지는 수년간의 논의에도 아직 분명히 밝혀지지 않았다. 우리 학부 김기훈 교수 창의 연구단은 최근 양질의 (Na1-xLix)FeAs 단결정을 세계 최초로 합성하였고 독일 IFW Dresden 연구소 백승호 박사팀과의 공동 연구를 통해 네마틱 상과 스핀 요동상 사이의 관계를 실험적, 이론적으로 논의하였다. Li 도핑 x = 0.02에서 네마틱 상전이는 정적 스핀 물질파 (SDW) 질서로 변화하는 스핀 요동을 강화하는 형태로 나타나고, 이와 대조적으로 Li가 더 도핑된 x = 0.03에서는 SDW 상전이는 사라지며 온도 T0에서 스핀 요동을 억제하는 새로운 네마틱 상으로 상전이하는 것이 발견되었다. 본 연구 결과는 x = 0.03 이상의 도핑에서 네마틱상 요동이 스핀보다는 오히려 전하 밀도파 정렬 현상과 연관되어 있음을 새롭게 시사하는 것이며, 오비탈 정렬과 네마틱이 주로 연관될 수 있다는 이전 주장과는 달리, 네마틱 정렬이 전하밀도파 형성과도 관련될 수 있음을 새롭게 실험적으로 발견한 것이다. 또한, 이같은 현상은 구리산화물 초전도체의 네마틱 상이 전하밀도파 형성에도 관련된다는 최근 실험결과와 더불어 철계 초전도체에서도 이같은 현상이 나타날 수 있음을 최초로 실험적으로 관측한 것에 해당한다. 또한, 아주 적은 도핑만으로도 스핀 요동 스펙트럼이 네마틱 상전이와 관련하여 크게 변화하는 일은 극히 드문 결과이며, 본 연구가 그동안의 철계 초전도체와 넒게는 구리산화물 초전도체에서 나타나는 네마틱 상 원리 규명 연구에 있어 새로운 시각을 가져다 줄 것으로 기대된다.
저자: S.-H. Baek* (IFW Dresden), Dilip Bhoi (서울대), Woohyun Nam (서울대), Bumsung Lee (서울대), D. V. Efremov (IFW Dresden), B. Büchner (IFW Dresden), Kee Hoon Kim* (서울대)

Abstract
Strong interplay of spin and charge/orbital degrees of freedom is the fundamental characteristic of the iron-based superconductors (FeSCs), which leads to the emergence of a nematic state as a rule in the vicinity of the antiferromagnetic state. Despite intense debate for many years, however, the origin of the nematic state - whether it is driven by spin or charge/orbital degree of freedom|remains unsettled. To elucidate this issue, we investigate the doping-temperature phase diagram of Na1-xLixFeAs up to x = 0.1, which were successfully synthesized for the first time by overcoming intriguing difficulties in forming single phase materials. By use of transports, magnetization, and 75As nuclear magnetic resonance (NMR) measurements, we observe a striking transformation of the relationship between nematicity and spin fluctuations (SFs) with doping; For x = 0.02, the nematic transition promotes SFs which diverges towards a static spin density wave (SDW) order. In contrast, for x = 0.03, the SDW transition vanishes, and the system undergoes a phase transition at a temperature T0 into a new nematic state, which suppresses SFs. This implies that as x exceeds a critical doping x = 0.03 nematic fluctuations becomes strongly entangled with SFs, resulting in a distinct nematic state associated with charge/orbital order. Such a drastic change of the spin fluctuation spectrum associated with nematicity by small doping is highly unusual, and provides fresh insights into the origin and nature of nematicity in FeSCs.

NATURE COMMUNICATIONS 9, 2139 (2018)
doi:10.1038/s41467-018-04471-7

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04471-7