[論文レビュー] Direct observation of spin-orbit coupling in iron-based superconductors

С. В. Борисенко, D. V. Evtushinsky+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 33被引用数 4

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、鉄ベース超伝導体の複数の家族において強いスピン軌道結合（SOC）を直接観測した。その結果、SOCが電子バンド構造に顕著な分裂を引き起こし、ネイミック秩序よりもフェルミ準拠面のトポロジーを支配することが明らかになった。最大の超伝導ギャップは、常にSOCによって誘導されたフェルミ準拠面シートと一致しており、SOCが非単純超伝導において中心的役割を果たしていることが示された。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) is a fundamental interaction in solids which can induce a broad spectrum of unusual physical properties from topologically non-trivial insulating states to unconventional pairing in superconductors. In iron-based superconductors (IBS) its role has so far been considered insignificant with the models based on spin- or orbital fluctuations pairing being the most advanced in the field. Using angle-resolved photoemission spectroscopy we directly observe a sizeable spin-orbit splitting in all main families of IBS. We demonstrate that its impact on the low-energy electronic structure and details of the Fermi surface topology is much stronger than that of possible nematic ordering. Intriguingly, the largest pairing gap is always supported exactly by SOC-induced Fermi surfaces.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合（SOC）が鉄ベース超伝導体（IBS）に及ぼす影響の程度と影響を特定し、その無視可能性という一般的な仮定に挑戦すること。
• 長年の論争である、ネイミック秩序とSOCのどちらがIBSの低エネルギー電子構造を支配しているかを解明すること。
• SOCによって誘導されたフェルミ準拠面特徴と最大の超伝導ギャップの位置との間の直接的な実験的関連を確立すること。
• すべての主要なIBS家族におけるSOCが電子構造の基本的要素であるという決定的証拠を提供すること。

提案手法

• 複数の鉄ベース超伝導体家族の電子バンド構造をマップするために、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた。
• スピン極化光電子状態のエネルギー分裂を分析することで、価電子帯におけるスピン軌道分裂を直接測定した。
• フェルミ準拠面トポロジーを高精度でマッピングし、SOCによって誘導された特徴を同定し、ネイミック秩序モデルの予測と比較した。
• ARPESで測定された超伝導ギャップの空間分布と、SOCによって分裂したフェルミ準拠面シートの存在を相関させた。
• スピンフラクチュエーションなどの他の電子的相互作用からのSOC効果を分離するために、高度なデータ解析を用いた。
• 122、1111、11化合物など、複数のIBS家族間で結果を比較し、普遍的なSOC効果を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄ベース超伝導体の電子構造に、どの程度スピン軌道結合（SOC）が存在するのか？
• RQ2 ネイミック秩序と比較して、SOCは鉄ベース超伝導体のフェルミ準拠面トポロジーにどのように影響を与えるのか？
• RQ3 鉄ベース超伝導体における最大の超伝導ギャップは、強いSOCによって誘導されたバンド分裂領域と空間的に相関しているか？
• RQ4 異なる鉄ベース超伝導体家族間で、観察されたSOC効果は変化するのか？
• RQ5 ネイミック性などの競合する電子的不安定性が存在する中で、SOCの直接的実験的証明は可能か？

主な発見

• 角度分解光電子分光法を用いて、鉄ベース超伝導体のすべての主要な家族において顕著なスピン軌道結合が直接観測された。
• スピン軌道分裂は、低エネルギー電子構造を支配するほど大きく、可能性のあるネイミック秩序の影響を上回っている。
• フェルミ準拠面トポロジーは、ネイミックフラクチュエーションではなくSOCによって主に決定されており、フェルミ準拠面シートとSOCによって誘導されたバンド分裂の正確な一致がその証拠となった。
• 最大の超伝導ギャップは、常にスピン軌道結合によって分裂したフェルミ準拠面シートの上に一致して観測された。
• 観察されたSOC効果は、122、1111、11化合物を含む、さまざまな鉄ベース超伝導体家族にわたり、頑健で普遍的である。
• 従来のモデルがSOCを軽視していたのに対し、本研究の結果は、SOCがこれらの物質の電子的および超伝導的性質において重要な要因であると確立した。