[論文レビュー] Absence of holelike Fermi surface in superconducting K0.8Fe1.7Se2 revealed by ARPES

Tian Qian, X. P. Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2010

Iron-based superconductors research参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超伝導体K0.8Fe1.7Se2の電子的構造を角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて調査し、M点に位置する1つの電子的バンドが支配的であるフェルミ面が得られた。ホール的特徴を示さないフェルミ面ポケットの存在は、他の鉄系超伝導体とは異なり、({\pi}, {\pi})フェルミ面間散乱チャネルが顕著であることを示唆し、この系における電子-電子相関に起因する特異な対称性形成機構を示している。

ABSTRACT

We have performed an angle-resolved photoemission spectroscopy study of the new iron-based superconductor K0.8Fe1.7Se2 (Tc ~ 30 K). Clear band dispersion is observed with the overall bandwidth renormalized by a factor of 2.5 compared to our local density approximation calculations, indicating relatively strong correlation effects. Only an electronlike band crosses the Fermi energy, forming a nearly circular Fermi surface (FS) at M (π, 0). The holelike band at Γ sinks ~ 90 meV below the Fermi energy, with an indirect band gap of 30 meV to the bottom of the electronlike band. The observed FS topology in this superconductor favors (π, π) inter-FS scattering between the electronlike FSs at the M points, in sharp contrast with other iron-based superconductors which favor (π, 0) inter-FS scattering between holelike and electronlike FSs.

研究の動機と目的

• 高分解能ARPESを用いて鉄系超伝導体K0.8Fe1.7Se2のフェルミ面トポロジーを特定すること。
• この材料にホール的フェルミ面ポケットが存在するかどうかという長年の曖昧さを解消すること。
• 観測されたフェルミ面トポロジーが超伝導ペアリング機構に与える影響を理解すること。
• 電子相関が電子的構造、特にバンド幅の再正規化に与える役割を評価すること。
• 他の鉄系超伝導体と比較して、K0.8Fe1.7Se2のフェルミ面トポロジーに特徴的な点を特定すること。

提案手法

• 低温（T ≈ 4 K）での単結晶K0.8Fe1.7Se2試料に対して角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• 発射角および光子エネルギーの関数として放出された光電子を測定することで、電子バンド構造およびフェルミ面トポロジーを特定した。
• 相関効果を評価するために、実験的バンド分散を局所密度近似（LDA）計算と比較した。
• 測定されたバンド分散からフェルミエネルギーとの交差点を特定し、フェルミ面のトポロジーを決定した。
• Γ点におけるホール的バンドと電子的バンドの間のエネルギー分裂、ならびに30 meVの間接バンドギャップを分析した。
• 観測されたフェルミ面幾何学的形状に基づき、フェルミ面間散乱ベクトルを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的モデルが予測するように、K0.8Fe1.7Se2のフェルミ面にΓ点付近にホール的ポケットが存在するか？
• RQ2 K0.8Fe1.7Se2のフェルミ面トポロジーは、他の鉄系超伝導体と比較してどのように異なるか？
• RQ3 ARPESとLDAの結果の乖離から示唆されるように、電子相関がK0.8Fe1.7Se2のバンド幅にどの程度再正規化効果を及ぼしているか？
• RQ4 観測されたフェルミ面トポロジーが超伝導ペアリング機構に与える影響は何か？
• RQ5 K0.8Fe1.7Se2におけるフェルミ面間散乱は、({\pi}, 0) よりも ({\pi}, {\pi}) ベクトルが支配的であるか？他の鉄系超伝導体とはどのように異なるか？

主な発見

• フェルミエネルギーを通過するのは1つの電子的バンドに限定され、M点（{\pi}, 0）を中心にほぼ円形のフェルミ面が形成されている。
• Γ点におけるホール的バンドはフェルミエネルギーから約90 meV下に位置し、ホール的フェルミ面ポケットは存在しない。
• 電子的バンドの底とΓ点におけるホール的バンドとの間に30 meVの間接バンドギャップが存在する。
• 観測されたバンドのバンド幅はLDA計算と比較して2.5倍に再正規化されており、強い電子相関効果を示している。
• フェルミ面トポロジーは、M点における電子的フェルミ面同士の({\pi}, {\pi})フェルミ面間散乱を有利にする。
• ホール的フェルミ面の欠如は、他の鉄系超伝導体で見られる従来のネスティング像とは矛盾しており、異なるペアリング機構を示唆している。