[論文レビュー] Carrier doping versus impurity potential effect in transition metal-substituted iron-based superconductors

S. Ideta, T. Yoshida+16 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、コバルト（Co）ドーピングを施した122型鉄系超伝導体における電子ドーピング効果を比較した。その結果、同一の表向きのドーピング状態においても、不純物ポテンシャルが増加するにつれて、フェルミ準拠形成に寄与する有効な電子数が減少することが明らかになった。この結果から、超伝導転移温度（Tc）およびネール温度（TN）は、表向きの電子濃度やドーラント含有量ではなく、フェルミ準拠体積に支配されていることが示された。

ABSTRACT

In order to examine to what extent the rigid-band-like electron doping scenario is applicable to the transition metal-substituted Fe-based superconductors, we have performed angle-resolved photoemission spectroscopy studies of Ba(Fe$_{1-x}$Ni$_{x}$)$_2$As$_2$ (Ni-122) and Ba(Fe$_{1-x}$Cu$_{x}$)$_2$As$_2$ (Cu-122), and compared the results with Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ (Co-122). We find that Ni 3$\it{d}$-derived features are formed below the Fe 3$\it{d}$ band and that Cu 3$\it{d}$-derived ones further below it. The electron and hole Fermi surface (FS) volumes are found to increase and decrease with substitution, respectively, qualitatively consistent with the rigid-band model. However, the total extra electron number estimated from the FS volumes (the total electron FS volume minus the total hole FS volume) is found to decrease in going from Co-, Ni-, to Cu-122 for a fixed nominal extra electron number, that is, the number of electrons that participate in the formation of FS decreases with increasing impurity potential. We find that the N$\acute{ m{e}}$el temperature $T_{ m{N}}$ and the critical temperature $T_{\it{c}}$ maximum are determined by the FS volumes rather than the nominal extra electron concentration nor the substituted atom concentration.

研究の動機と目的

• 遷移金属置換型鉄系超伝導体におけるラジカルバンドモデルの妥当性を評価すること。
• 異なるドーラント（Ni、Cu、Co）からの不純物ポテンシャルが、電子状態およびフェルミ準拠トポロジーに与える影響を調査すること。
• 臨界温度（Tc）およびネール温度（TN）が、表向きの電子濃度か、実際のフェルミ準拠体積に依存するかを特定すること。
• 同一の表向きの電子ドーピングを有するCo-, Ni-, CuドーピングBa(Fe1−xMx)2As2系の間で、電子的応答を比較すること。

提案手法

• Ba(Fe1−xMx)2As2（M = Ni, Cu, Co）単結晶を用い、角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• ドーピングレベル（x）の変動に伴う電子バンド構造およびフェルミ準拠トポロジーをマッピングした。
• Fe 3dバンドに比して、NiおよびCuドーラントからのd軌道寄与を特定した。
• ARPESデータから電子およびホールのフェルミ準拠体積を定量した。
• フェルミ準拠体積の変化を、表向きの電子数および不純物ポテンシャルと関連づけた。
• フェルミ準拠体積と超伝導転移温度（Tc）およびネール温度（TN）の関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラジカルバンドモデルは、NiおよびCuドーピングを施した122系において、電子ドーピングをどの程度正確に記述できるか？
• RQ2 CoからNi、Cuへの不純物ポテンシャルの増加が、フェルミ準拠に寄与する有効な電子数にどのように影響するか？
• RQ3 これらの系における最大TcおよびTNは、表向きの電子濃度か、実際のフェルミ準拠体積に支配されているか？
• RQ4 NiおよびCuのd軌道寄与は、電子状態におけるFe 3dバンドに比べてどのように比較できるか？
• RQ5 同一の表向きのドーピング状態においても、Co-122からNi-122、Cu-122にかけて有効な電子数が減少する理由は何か？

主な発見

• Ni 3d由来の状態はFe 3dバンドの下に位置し、Cu 3d由来の状態はさらに下に位置しており、強い不純物ポテンシャル効果が示された。
• 電子およびホールのフェルミ準拠体積は、ラジカルバンドモデルの予測通りに変化するが、同一の表向きのドーピングにおいても、Co-122からNi-122、Cu-122にかけてフェルミ準拠に寄与する有効な電子数が減少した。
• 表向きの電子数が同一であるにもかかわらず、不純物ポテンシャルが増加するにつれて、フェルミ準拠体積の差異から推定される追加電子数は減少した。
• 超伝導転移温度（Tc）およびネール温度（TN）の最大値は、表向きの電子濃度やドーラント含有量ではなく、フェルミ準拠体積に支配されている。
• 不純物ポテンシャルが増加するにつれて有効な電子数が減少する現象は、強い局所クーロン反発または混合効果によって、ラジカルバンドモデルの破綻を示している。
• この結果から、遷移金属置換型鉄系超伝導体の相図は、表向きのドーピングではなく、フェルミ準拠トポロジーが支配していると示唆される。