Acoplo Hund y estado nemático de los superconductores de hierro

En 2008 se descubrió superconductividad de alta temperatura en materiales con capas Fe-As o Fe-Se. Además de la superconductividad, el diagrama de fase de estos materiales incluye orden magnético y un estado nemático en el que se rompe la simetría tetragonal de los planos y que se caracteriza por propiedades electrónicas altamente anisótropas. Esta anisotropía no puede ser explicada por la pequeña distorsión de la red atómica que se observa. En la comunidad científica hay bastante acuerdo en el origen electrónico de esta transición nemática. Sin embargo, está menos claro si los responsables de la transición son los grados de libertad magnéticos o los orbitales. El origen de la transición nemática es uno de los temas más debatidos y de mayor interés dentro del ámbito de los superconductores de hierro.

En la mayoría de los materiales la transición nemática precede a una transición magnética y muchas evidencias son compatibles con el llamado modelo “Ising-spin nematic” en el que las fluctuaciones de spin producen primeramente una ruptura de la simetría tetragonal al estado nemático y a temperaturas un poco menores la transición antiferromagnética. Esta es la teoría más popular para explicar la nematicidad de los superconductores de hierro. Sin embargo, existe un material, el FeSe, en el que la transición nemática se produce a 90 K sin que se observe una transición magnética. Esta evidencia genera dudas sobre la validez del modelo “Ising-spin nematic” y ha vuelto la vista a los modelos orbitales.

 

leni-bascones-nematic

Estructura de bandas cerca del nivel Fermi en presencia de orden ferro-orbital local, utilizando estructura de bandas y parámetros de interacción del FeSe. Leni Bascones. ICMM-CSIC

Dentro de los modelos orbitales, la propuesta en la que más se ha trabajado, el orden ferro-orbital local, propone que en el origen de la transición nemática está que los orbitales yz y zx del Fe (degenerados en la fase tetragonal) adquieran un llenado diferente. Sin embargo, los cálculos teóricos en modelos realistas no parecen apoyar estas teorías. Recientemente, para explicar las medidas de fotoemisión (que de hecho son controvertidas) se han propuesto otros modelos orbitales que involucran anisotropía en los parámetros de hopping a primeros vecinos. Además en base a cálculos de grupo de renormalización se ha propuesto un orden orbital diferente que cambia de signo entre los pockets de Fermi de huecos y electrones.

Los superconductores de hierro son materiales correlacionados como evidencia que la masa de los electrones sea notablemente superior a la predicha por cálculos ab-initio. Estas correlaciones son debidas a la repulsión de dos electrones que se encuentran en el mismo átomo y se sabe que el acoplo Hund juega un papel crucial en ellas. De entre los superconductores de hierro el FeSe es especialmente correlacionado.

En este trabajo, utilizando técnicas de espines esclavos, hemos demostrado que las correlaciones electrónicas debidas al efecto Hund suprimen notablemente la diferencia de carga entre los orbitales yz y zx, y por tanto el orden ferro-orbital local pero afectan muy levemente al orden con cambio de signo ya que dicha diferencia de carga prácticamente se cancela. La respuesta de los otros órdenes orbitales propuestos sería intermedia entre estos dos casos. El orden con cambio de signo se postula por tanto como el mejor candidato para explicar la nematicidad en FeSe. Además, hemos visto que en el estado nemático la correlación se vuelve anisótropa, siendo esta anisotropía máxima para valores de las interacción típicas de FeSe. Las correlaciones además modifican la estructura de banda en el estado nemático con respecto a las expectativas lo que notablemente en la interpretación de los experimentos de fotoemisión.

Hund’s coupling in the nematic state of iron superconductors: interplay with orbital ordering and anisotropic correlation strength. L. Fanfarillo, G. Giovannetti, M. Capone, E. Bascones, arXiv: 1609.06672