[論文レビュー] Electron-phonon coupling and momentum-dependent electron dynamics in EuFe2As2 using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy

Laurenz Rettig, R. Cortés+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、時間分解および角度分解光電子分光法（trARPES）を用いて、Feヒydride化合物の母体化合物であるEuFe₂As₂における電子励起状態のダイナミクスと電子-格子励振子結合を調査した。電子-格子励振子結合定数λ < 0.5であることが判明し、本物質群における超伝導性に電子-格子励振子結合が果たす寄与は限定的であることが示唆された。

ABSTRACT

The Fe pnictide parent compound EuFe2As2 exhibits a strongly momentum dependent carrier dynamics around the hole pocket at the center of the Brillouin zone. The very different dynamics of electrons and holes cannot be explained solely by intraband scattering and interband contributions have to be considered. In addition, three coherently excited modes at frequencies of 5.6, 3.1 and 2.4 THz are observed. An estimate of the electron-phonon coupling parameter reveals lambda &lt; 0.5, suggesting a limited importance of e-ph coupling to superconductivity in Fe pnictides.

研究の動機と目的

• Feヒドライド化合物の母体化合物であるEuFe₂As₂における運動量依存性電子ダイナミクスを調査すること。
• 準粒子の緩和に寄与する電子-電子散乱および電子-格子励振子散乱の役割を特定すること。
• フェルミ準位付近の電子状態に強く結合するコherentな格子モードを同定および特徴づけること。
• 電子-格子励振子結合強度λを推定し、鉄系超伝導体におけるその超伝導性への関連性を評価すること。

提案手法

• EuFe₂As₂の光学励起にフェムト秒レーザーパルス（55 fs, 1.5 eV）を用いた。
• 時間遅延型紫外線プローブパルス（80 fs, 6.0 eV）を用いて、trARPESによるエネルギーおよび運動量分解型1粒子スペクトル関数を測定した。
• 50 meVのエネルギー分解能および0.05 Å⁻¹の運動量分解能を用いて、スペクトル関数のエネルギーおよび運動量分解型ダイナミクスを分析した。
• 時間分解スペクトルから電子の平均超過エネルギーを抽出し、エネルギー緩和率を定量化した。
• エネルギー緩和率 dE/dt = πħλω² に基づく非平衡モデルを適用し、電子-格子励振子結合パラメータλを推定した。
• 緩和率 γ = ℏτ⁻¹ = 2ImΣ(ε) を用いて、電子-電子散乱（γₑₑ ∝ ε²）および電子-格子励振子散乱（γₑₚₕ）の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuFe₂As₂における電子およびホール準粒子の緩和はどのように異なり、その運動量依存性ダイナミクスの原因は何か？
• RQ2 イントラバンド、インターバンド、または電子-格子励振子散乱のうち、どの電子散乱過程が光励起キャリアの緩和を支配しているか？
• RQ3 EuFe₂As₂における電子-格子励振子結合の強さは何か？また、銅酸化物超伝導体の値と比較するとどうなるか？
• RQ4 フェルミ準位付近の電子状態に強く結合するコherentな格子モードは存在するか？その役割は何か？
• RQ5 本系の緩和を記述するために二温度モデルを適用できるか？それとも非平衡効果が支配的か？

主な発見

• EuFe₂As₂における電子およびホールのダイナミクスは強い運動量依存性を示し、Γ点およびX点のバンド間散乱が緩和経路を支配している。
• 5.6、3.1、2.4 THzの3つのコherentな格子モードが観測され、23 meVのA₁gモードはフェルミ準位付近の電子状態と強く結合していた。
• 電子-格子励振子結合パラメータはλ < 0.5と推定され、特に強く結合するA₁gモードに対してはλ < 0.2というより厳しい上限が得られた。
• trARPESデータからエネルギー緩和率 dE/dt = πħλω² が抽出され、λω² = 70 meV²が上限として得られた。これは光学ポンプ・プローブ結果と整合的であった。
• 緩和ダイナミクスは非平衡モデルによって最もよく記述され、電子およびホール系が非平衡状態にあるため、二温度モデルは失敗した。
• 弱い電子-格子励振子結合は、鉄系超伝導体における電子-格子励振子相互作用が主要な対称化機構である可能性が低いことを示唆している。