Pressure effects on electronic structure and magnetic properties of the FeSe(Te) superconductors

Abstract

The magnetic susceptibility χ of the FeSe and FeTe compounds, which form the simplest FeSe(Te) system of the novel iron-based superconductors, is studied in the normal state under hydrostatic pressure. A substantial positive pressure effect on χ is detected at low temperatures for both compounds. At room temperature, this effect is found to be also strong, but it is negative for FeSe and positive for FeTe. Ab initio calculations of the pressure dependent electronic structure and magnetic susceptibility indicate that FeSe and FeTe are close to magnetic instability with dominating enhanced spin paramagnetism. The calculated paramagnetic susceptibility exhibits a strong dependence on the unit cell volume and the height Z of chalcogen species from the Fe plane. The observed large positive pressure effects on χ in FeTe and FeSe at low temperatures are related to considerable sensitivity of the paramagnetism to the internal parameter Z. It is shown that available experimental data on the strong and nonmonotonic pressure dependence of the superconducting transition temperature in FeSe correlate qualitatively with the calculated behavior of the density of electronic states at the Fermi level.

Магнитная восприимчивость χ соединений FeSe и FeTe, которые образуют простейшую систему FeSe(Te) новых сверхпроводников на основе железа, изучена в нормальном состоянии под действием гидростатического давления. Значительный положительный эффект влияния давления на χ обнаружен при низкой температуре для обоих соединений. При комнатной температуре этот эффект оказывается также сильным, но отрицательным − для FeSe и положительным − для FeTe. Расчеты из первых принципов зависимости электронной структуры и магнитной восприимчивости от давления показали, что FeSe и FeTe близки к магнитной неустойчивости с преобладанием обменно-усиленного спинового парамагнетизма. Вычисленная парамагнитная восприимчивость проявляет сильную зависимость от объема элементарной ячейки и высоты Z слоя халькогена над плоскостью железа. Наблюдаемые большие положительные эффекты давления на χ в FeTe и FeSe при низких температурах связаны со значительной чувствительностью парамагнетизма к внутреннему параметру Z. Показано, что имеющиеся экспериментальные данные о сильной и немонотонной зависимости температурного сверхпроводящего перехода от давления в FeSe качественно коррелируют с рассчитанным поведением плотности электронных состояний на уровне Ферми.

Магнітну сприйнятливість χ сполук FeSe і FeTe, які утворюють найпростішу систему FeSe(Te) нових надпровідників на основі заліза, вивчено в нормальному стані під дією гідростатичного тиску. Значний позитивний ефект тиску на χ визначено при низьких температурах для обох сполук. При кімнатній температурі цей ефект виявляється також сильним, але негативним − для FeSe і позитивним − для FeTe. Розрахунки з перших принципів залежності електронної структури й магнітної сприйнятливості від тиску показали, що FeSe і FeTe близькі до магнітної нестійкості з переважанням обмінно-посиленого спінового парамагнетизму. Обчислена парамагнітна сприйнятливість проявляє сильну залежність від об’єму елементарної комірки й висоти Z шару халькогену над площиною заліза. Великі позитивні ефекти тиску на χ в FeTe і FeSe, які спостерігалися при низьких температурах, пов’язані зі значною чутливістю парамагнетизму до внутрішнього параметру Z. Показано, що наявні експериментальні дані про сильну й немонотонну залежність температурного надпровідного переходу від тиску в FeSe якісно корелюють із розрахованою поведінкою густини електронних станів на рівні Фермі.