[論文レビュー] Direct observation of dispersive lower Hubbard band in iron-based superconductor FeSe

D. V. Evtushinsky, Markus Aichhorn+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 20被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）と動的平均場理論（DMFT）を組み合わせることで、鉄系超伝導体FeSeにおける分散的である下位ハッブルバンド（LHB）を直接観測した。結果は、3dバンド全体にわたり強い電子相関が存在することを示し、明確なスペクトル重みの分離が、秩序的フェルミ液体的状態と、明確に分散的であるLHBに見られる。これは、FeSeの超伝導挙動に不可欠な中程度の相関強度を示している。

ABSTRACT

Electronic correlations were long suggested not only to be responsible for the complexity of many novel materials, but also to form essential prerequisites for their intriguing properties. Electronic behavior of iron-based superconductors is far from conventional, while the reason for that is not yet understood. Here we present a combined study of the electronic spectrum in the iron-based superconductor FeSe by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and dynamical mean field theory (DMFT). Both methods in unison reveal strong deviations of the spectrum from single-electron approximation for the whole 3$d$ band of iron: not only the well separated coherent and incoherent parts of the spectral weight are observed, but also a noticeable dispersion of the lower Hubbard band (LHB) is clearly present. This way we demonstrate correlations of the most puzzling intermediate coupling strength in iron superconductors.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体（FeSeを含む）における電子相関の性質を解明すること。ここで、従来のバンド理論では説明できない。
• FeSeで観測されたスペクトル再正規化が、強い電子-電子相関に起因するのか、それとも他の要因に起因するのかを特定すること。
• 実験的・理論的アプローチを統合することで、FeSeにおける下位ハッブルバンド（LHB）の存在と分散を確立すること。
• 鉄系超伝導体における中程度の結合強度の役割を明らかにし、銅酸化物超伝導体やモット絶縁体と対比すること。
• 非相互作用バンドにおける混合ギャップが、ハッブルバンドの形成および検出可能性に与える影響を調査すること。

提案手法

• 高対称性方向に沿って運動量空間でFeSeの電子構造を測定するために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 実際のパラメータを用いたハッブルモデルからの自己エネルギーを用いて、動的平均場理論（DMFT）計算が実施された。
• スペクトル関数再構成の妥当性を確保するため、人工的グリーン関数とスケーリングされた自己エネルギーの2つの手法を用いて、自己エネルギーの解析的継続が行われた。
• 自己エネルギーと二重カウント補正を組み込んだDyson方程式を用いて、スペクトル関数が計算された。
• 非相互作用バンド構造がハッブルバンド分離をどのように強化するかを明示的に示すために、混合ギャップを有する2軌道モデルが用いられた。
• バンド構造寄与と相関効果を分離するために、ARPESデータ、DMFT結果、LDA計算の比較分析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeにおける下位ハッブルバンド（LHB）は、測定可能な分散を示すのか。これは、単粒子的挙動をはるかに超える強い相関を示唆する。
• RQ2 FeSeで観測されたスペクトル特徴は、どの程度局所密度近似（LDA）の予測から逸脱しているのか。これは電子-電子相関によるものである。
• RQ3 非相互作用バンド構造における混合ギャップが、ハッブルバンドの形成および検出可能性に与える影響は何か。
• RQ4 FeSeにおける中程度の結合強度は、明確に定義されたLHBを生成するのに十分なのか。これは銅酸化物超伝導体やモット絶縁体と比較してどうなるか。
• RQ5 DMFT計算は、ARPESで観測されたように、秩序的バンドとLHBを含む全スペクトル構造を再現できるか。

主な発見

• ARPES測定により、FeSeに明確で分散的である下位ハッブルバンド（LHB）が観測された。エネルギー分散は3dバンド構造と一致し、強い相関が確認された。
• 3dバンド内のスペクトル重みは、フェルミ準位付近の秩序的フェルミ液体的バンドと、低い結合エネルギーに位置する明確で弱く分散的なLHBに分離している。
• DMFT計算は、ARPESデータを高い忠実度で再現しており、LHBの分散と、秩序的・非秩序的領域間のスペクトル重みの枯渇を含む。
• LHBは、非相互作用状態密度に擬似ギャップを示す軌道で最も顕著に観測され、ハッブルバンド分離が強化されている。
• DMFTから得られた自己エネルギーは、強いエネルギー的・運動量的依存性を示しており、弱い結合近似を超える非自明な多体効果が確認された。
• ARPESとDMFTの一致は、複数の高対称性方向にわたり継続しており、理論的フレームワークと実験データの妥当性が裏付けられた。