Fase nemática en los superconductores de hierro

La fase nemática es bien conocida en los cristales líquidos clásicos. Está formada por un fluido hecho de moléculas alargadas que tiene propiedades anisótropas y se la define como una fase con la simetría rotacional rota. Los electrones en un metal también se pueden considerar como líquidos, en este caso cuánticos. En las dos últimas décadas se ha visto como la fase nemática ha proliferado en los sistemas de electrones fuertemente correlacionados, en particular en los superconductores de alta temperatura: cupratos y superconductores de hierro. Esta fase nemática aparece cerca de la fase magnética y de la superconductora y se cree que el conocimiento del mecanismo de esta fase podría dar pistas sobre el mecanismo de la superconductividad. Centrándonos en los superconductores de hierro, gran parte de la comunidad científica cree que esta fase está asociada al magnetismo columnar Q=(pi,0) que presentan muchos de estos superconductores con lo que se denomina fase nemática de spin. Además se cree que la transición de fase estructural que sigue a la fase magnética se debe a esta fase nemática de spín en vez de deberse a la red iónica como es usual.

En los superconductores de hierro existe un grado de libertad adicional, el orbital, que determina muchas de las propiedades de estos superconductores. En particular, dos de los orbitales que dominan la superficie de Fermi, dyz y dzx, rompen la simetría de C4 a C2 igual que la transición estructural y la transición magnética. Además, estos orbitales dan lugar a un vórtice en la superficie de Fermi alrededor del punto de simetría Gamma. Dada la no trivialidad del carácter orbital de la superficie de Fermi es necesario tenerla en cuenta para construir un modelo de baja energía.

Vórtice en el espacio orbital superimpuesto a la superficie de Fermi en un modelo para los orbitales dyz y dzx. El modelo mínimo de los superconductores de hierro requiere más orbitales pero estos dos orbitales son suficientes para explicar el origen de la fase nemática ya que son los que rompen la simetría de C4 a C2. Belén Valenzuela. ICMM-CSIC.

Vórtice en el espacio orbital superimpuesto a la superficie de Fermi en un modelo para los orbitales dyz y dzx. El modelo mínimo de los superconductores de hierro requiere más orbitales pero estos dos orbitales son suficientes para explicar el origen de la fase nemática ya que son los que rompen la simetría de C4 a C2. Belén Valenzuela. ICMM-CSIC.

Por primera vez los autores de este trabajo publicado en Physical Review B han demostrado que esta ruptura de simetría orbital está detrás de la fase nemática de spin. Previamente se había considerado que provenía de la forma particular de la superficie de Fermi. También hemos comprobado que la susceptibilidad de spin es anisótropa tal como ocurre en los experimentos. Además la susceptibilidad de spin es capaz de generar orden orbital. El orden orbital ha sido ampliamente discutido en los superconductores de hierro y también propuesto como mecanismo de nematicidad. Este trabajo muestra de forma explícita la estrecha relación entre el grado de libertad orbital y el de spin.

Los resultados han sido calculados con un modelo de baja energía derivado por nosotros desde un Hamiltoniano multiorbital que describe los superconductores de hierro. Este modelo efectivo se puede utilizar ahora para calcular la función respuesta deseada y su derivación también se puede usar para derivar modelos efectivos en otros sistemas de electrones donde el grado de libertad orbital juegue un papel relevante.

“Spin-orbital interplay and topology in the nematic phase of iron pnictides”, Laura Fanfarillo, Alberto Cortijo, and Belén Valenzuela. Phys. Rev. B 91, 214515 (2015).