[論文レビュー] Anomalous two peak structure in the Angle-resolved Photoemission Spectra of Ba1-xKxFe2As2

T. Shimojima, Walid Malaeb+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、Ba1-xKxFe2As2（x = 0.2–0.7）の電子状態を調査した。Tc未満のスペクトルには二つの明著なピークが観察された：5 meVの結合エネルギーに位置する超伝導性コherenceピーク（超伝導ギャップに関連）と、約90 K未満で出現する13 meVの高エネルギーピークである。後者はギャップの形成を伴わず、約8 meVのエネルギーを持つボソンモードとの結合に起因するとされ、第二の特徴の非超伝導的起源を示唆している。

ABSTRACT

The electronic structure near the Fermi level (EF) of Ba1-xKxFe2As2 (BaK122 ; x = 0.2 - 0.7) is studied using laser ultrahigh-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES). For the optimally doped case of x = 0.4, we clearly observe two peaks below Tc in the ARPES spectra at a binding energies (BE) of 5 meV and 13meV. The former is assigned to a superconducting (SC) coherence peak since it appears and evolves below the bulk SC transition at Tc (= 36 K), accompanying a gap opening centered at EF. In contrast, the latter peak, which appears below ~ 90 K without any gap formation, is interpreted to be not directly related to a SC coherence peak. This high-BE peak is observed from x = 0.2 to 0.6, reduces in energy with overdoping (x > 0.4) and is absent for x = 0.7. The temperature(T)- and doping-dependent ARPES results suggest that the high-BE peak originates from coupling to a bosonic mode of energy ~ 8 meV.

研究の動機と目的

• Ba1-xKxFe2As2のフェルミ準位近傍の電子状態を、カリウムドーピングレベルの広い範囲で調査すること。
• Tc未満で観察された異常な二重ピーク構造の起源を解明すること。
• 高エネルギー結合エネルギーピークが超伝導ペアリングに関連するか、あるいは他の多体効果に起因するかを特定すること。
• 二重ピーク構造の温度およびドーピング依存性を調査し、その物理的起源を推察すること。

提案手法

• Ba1-xKxFe2As2単結晶の電子状態を調査するために、超高分解能レーザー駆動角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 測定は、ドーピングレベル（x = 0.2 から 0.7）および温度の広い範囲で実施され、超伝導転移温度Tc = 36 K未満の状態も含んだ。
• ピークのエネルギー的特徴を解析し、温度およびドーピングに伴うピークの変化を焦点にした。
• 二重ピーク構造のエネルギーおよび温度依存性を、超伝導性コherenceピークおよび電子-ボソン結合の理論的予測と比較した。
• 高エネルギーピークにギャップが存在しないことから、その起源が直接的な超伝導性コherenceとは考えられないことを裏付けた。
• 第二のピークのエネルギー分裂および温度依存性から、約8 meVのエネルギーを持つボソンモードが推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba1-xKxFe2As2のARPESスペクトルに観察された二重ピーク構造、特に13 meVの高エネルギーピークの原因は何か、特にTc未満で顕在する。
• RQ2 13 meVピークは超伝導ペアリングに関連するか、あるいは別の多体相互作用に起因するか。
• RQ3 二つのピークのエネルギーおよび強度は、ドーピングレベルおよび温度にどのように依存するか。
• RQ4 13 meVピークはTcより高い温度で出現するか。これは事前に形成された秩序状態または競合秩序を示唆するか。
• RQ5 第二のピークを引き起こすボソンモードの本質は何か。ドーピングに伴いその性質はどのように変化するか。

主な発見

• Tc = 36 K未満で、フェルミ準位で超伝導ギャップが開くと整合する5 meVの結合エネルギーに位置する超伝導性コherenceピークが出現し、その変化が観察された。
• 13 meVの結合エネルギーに位置する第二のピークは、Tcよりはるかに高い約90 K未満で出現し、ギャップなしに持続するため、超伝導性コherenceピークではないことが示された。
• 13 meVピークはドーピングレベルx = 0.2 から 0.6で観察され、過ドーピング（x > 0.4）で弱まり、x = 0.7で消失した。
• 第二のピークのエネルギーは、約8 meVのボソンモードとの結合に一致しており、動的な電子的または格子励起を示唆している。