Spin wave excitations and stability of the (π, 0) ordered magnetic state are investigated in a minimal two-band itinerant-electron model for iron pnictides. Presence of hopping anisotropy generates a strong ferro-orbital order in the dxz and dyz Fe orbitals in the (π, 0) state. The orbital order sign is as observed in experiments. The induced ferro-orbital order strongly enhances the spin wave energy scale and stabilizes the magnetic state by optimizing the strength of the emergent antiferromagnetically and ferromagnetically spin couplings through optimal band fillings in the two orbitals. The calculated spin-wave dispersion is in quantitative agreement with neutron scattering measurements. Finite inter-orbital Hund's coupling is shown to further enhance the spin wave energies state by coupling the two magnetic sub-systems. A more realistic two-band model with less hopping anisotropy is also considered, which yields not only the circular hole pockets but also correct ferro-orbital order and emergent F spin coupling.
REFERENCES
1.
J.
Zhao
, Q.
Huang
, C.
de la Cruz
, S.
Li
, J. W.
Lynn
, Y.
Chen
, M. A.
Green
, G. F.
Chen
, G.
Li
, Z.
Li
, J. L.
Luo
, N. L.
Wang
, and P.
Dai
, Nature Mater.
7
, 953
(2008
).2.
S.
Nandi
, M. G.
Kim
, A.
Kreyssig
, R. M.
Fernandes
, D. K.
Pratt
, A.
Thaler
, N.
Ni
, S. L.
Bud'ko
, P. C.
Canfield
, J.
Schmalian
, R. J.
McQueeney
, and A. I.
Goldman
, Phys. Rev. Lett.
104
, 057006
(2010
).3.
A. I.
Goldman
, D. N.
Argyriou
, B.
Ouladdiaf
, T.
Chatterji
, A.
Kreyssig
, S.
Nandi
, N.
Ni
, S. L.
Bud'ko
, P. C.
Canfield
, and R. J.
McQueeney
, Phys. Rev. B
78
, 100506
–R
(2008
).4.
J.
Zhao
, D. T.
Adroja
, D.-X.
Yao
, R.
Bewley
, S.
Li
, X. F.
Wang
, G.
Wu
, X. H.
Chen
, J.
Hu
, and P.
Dai
, Nat. Phys.
5
, 555
(2009
).5.
S. O.
Diallo
, V. P.
Antropov
, T. G.
Perring
, C.
Broholm
, J.
Pulikkotil
, N.
Ni
, S. L.
Bud'ko
, P. C.
Canfield
, A.
Kreyssig
, A. I.
Goldman
, and R. J.
McQueeney
, Phys. Rev. Lett.
102
, 187206
(2009
).6.
R. A.
Ewings
, T. G.
Perring
, J.
Gillett
, S. D.
Das
, S. E.
Sebastian
, A. E.
Taylor
, T.
Guidi
, and A. T.
Boothroyd
, Phys. Rev. B
83
, 214519
(2011
).7.
I.
Eremin
and A. V.
Chubukov
, Phys. Rev. B
81
, 024511
(2010
).8.
P. M. R.
Brydon
and C.
Timm
, Phys. Rev. B
80
, 174401
(2009
).9.
J.
Knolle
, I.
Eremin
, A. V.
Chubukov
, and R.
Moessner
, Phys. Rev. B
81
, 140506
–R
(2010
).10.
K.
Nakamura
, R.
Arita
, and M.
Imada
, J. Phys. Soc. Jpn.
77
, 093711
(2008
).11.
S. L.
Skornyakov
, A. V.
Efremov
, N. A.
Skorikov
, M. A.
Korotin
, Y. A.
Izyumov
, V. I.
Anisimov
, A. V.
Kozhevnikov
, and D.
Vollhardt
, Phys. Rev. B
80
, 092501
(2009
).12.
T.
Shimojima
, K.
Ishizaka
, Y.
Ishida
, N.
Katayama
, K.
Ohgushi
, T.
Kiss
, M.
Okawa
, T.
Togashi
, X.-Y.
Wang
, C.-T.
Chen
, S.
Watanabe
, R.
Kadota
, T.
Oguchi
, A.
Chainani
, and S.
Shin
, Phys. Rev. Lett.
104
, 057002
(2010
).13.
M.
Yi
, D.
Lu
, J.-H.
Chu
, J. G.
Analytis
, A. P.
Sorini
, A. F.
Kemper
, B.
Moritz
, S.-K.
Mo
, R. G.
Moore
, M.
Hashimoto
, W.-S.
Lee
, Z.
Hussain
, T. P.
Devereaux
, I. R.
Fisher
, and Z.-X.
Shen
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
, 6878
(2011
).14.
M. F.
Jensen
, V.
Brouet
, E.
Papalazarou
, A.
Nicolaou
, A.
Taleb-Ibrahimi
, P.
Le Fèvre
, F.
Bertran
, A.
Forget
, and D.
Colson
, Phys. Rev. B
84
, 014509
(2011
).15.
Y. K.
Kim
, W. S.
Jung
, G. R.
Han
, K.-Y.
Choi
, K.-H.
Kim
, C.-C.
Chen
, T. P.
Devereaux
, A.
Chainani
, J.
Miyawaki
, Y.
Takata
, Y.
Tanaka
, M.
Oura
, S.
Shin
, A. P.
Singh
, H. G.
Lee
, J.-Y.
Kim
, and C.
Kim
, Phys. Rev. Lett.
111
, 217001
(2013
).16.
W.
Lv
, J.
Wu
, and P.
Phillips
, Phys. Rev. B
80
, 224506
(2009
).17.
C.-C.
Lee
, W.-G.
Yin
, and W.
Ku
, Phys. Rev. Lett.
103
, 267001
(2009
).18.
C.-C.
Chen
, J.
Maciejko
, A. P.
Sorini
, B.
Moritz
, R. R. P.
Singh
, and T. P.
Devereaux
, Phys. Rev. B
82
, 100504
–R
(2010
).19.
W.
Lv
and P.
Phillips
, Phys. Rev. B
84
, 174512
(2011
).20.
M. A.
Tanatar
, E. C.
Blomberg
, A.
Kreyssig
, M. G.
Kim
, N.
Ni
, A.
Thaler
, S. L.
Bud'ko
, P. C.
Canfield
, A. I.
Goldman
, I. I.
Mazin
, and R.
Prozorov
, Phys. Rev. B
81
, 184508
(2010
).21.
J.-H.
Chu
, J. G.
Analytis
, K.
De Greve
, P. L.
McMahon
, Z.
Islam
, Y.
Yamamoto
, and I. R.
Fisher
, Science
329
, 824
(2010
).22.
T.-M.
Chuang
, M. P.
Allan
, J.
Lee
, X.
Yang
, N.
Ni
, S. L.
Bud'ko
, G. S.
Boebinger
, P. C.
Canfield
, and J. C.
Davis
, Science
327
, 181
(2010
).23.
S.
Raghu
, X.-L.
Qi
, C.-X.
Liu
, D. J.
Scalapino
, and S.-C.
Zhang
, Phys. Rev. B
77
, 220503
–R
(2008
).24.
N.
Raghuvanshi
and A.
Singh
, J. Phys.: Condens. Matter
23
, 312201
(2011
).25.
J.
Knolle
, I.
Eremin
, and R.
Moessner
, Phys. Rev. B
83
, 224503
(2011
).26.
N.
Raghuvanshi
and A.
Singh
, J. Phys.: Condens. Matter
22
, 422202
(2010
).27.
W.
Lv
, F.
Krüger
, and P.
Phillips
, Phys. Rev. B
82
, 045125
(2010
).28.
F.
Krüger
, S.
Kumar
, J.
Zaanen
, and J.
van den Brink
, Phys. Rev. B
79
, 054504
(2009
).29.
M.
Daghofer
, Q.-L.
Luo
, R.
Yu
, D. X.
Yao
, A.
Moreo
, and E.
Dagotto
, Phys. Rev. B
81
, 180514
–R
(2010
).30.
A.
Singh
and H.
Ghosh
, Phys. Rev. B
65
, 134414
(2002
).31.
W. L.
Yang
, A. P.
Sorini
, C.-C.
Chen
, B.
Moritz
, W.-S.
Lee
, F.
Vernay
, P.
Olalde-Velasco
, J. D.
Denlinger
, B.
Delley
, J.-H.
Chu
, J. G.
Analytis
, I. R.
Fisher
, Z. A.
Ren
, J.
Yang
, W.
Lu
, Z. X.
Zhao
, J.
van den Brink
, Z.
Hussain
, Z.-X.
Shen
, and T. P.
Devereaux
, Phys. Rev. B
80
, 014508
(2009
).32.
Y.-M.
Quan
, L.-J.
Zou
, D.-Y.
Liu
, and H.-Q.
Lin
, J. Phys.: Condens. Matter
24
, 085603
(2012
).33.
E.
Bascones
, M. J.
Calderon
, and B.
Valenzuela
, Phys. Rev. Lett.
104
, 227201
(2010
).34.
D.-Y.
Liu
, Y.-M.
Quan
, D.-M.
Chen
, L.-J.
Zou
, and H.-Q.
Lin
, Phys. Rev. B
84
, 064435
(2011
).35.
T.
Shimojima
, F.
Sakaguchi
, K.
Ishizaka
, Y.
Ishida
, T.
Kiss
, M.
Okawa
, T.
Togashi
, C.-T.
Chen
, S.
Watanabe
, M.
Arita
, K.
Shimada
, H.
Namatame
, M.
Taniguchi
, K.
Ohgushi
, S.
Kasahara
, T.
Terashima
, T.
Shibauchi
, Y.
Matsuda
, A.
Chainani
, and S.
Shin
, Science
332
, 564
(2011
).36.
T.
Saito
, S.
Onari
, and H.
Kontani
, Phys. Rev. B
82
, 144510
(2010
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
