[論文レビュー] Electronic identification of the actual parental phase of KxFe2-ySe2 superconductor and its intrinsic mesoscopic phase separation

Feilong Chen, Mingyu Xu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Iron-based superconductors research参考文献 16被引用数 50

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、KxFe2-ySe2における2つの絶縁相（AFI1およびAFI2）と1つの半導体相を同定し、超伝導性／半導体領域と絶縁相のミクロ的相分離を明らかにした。主な発見は、超伝導性がモット的絶縁相ではなく、半導体相の電子ドーピングに起因することであり、この鉄系超伝導体における母体化合物および超伝導性の電子的起源に関する長年の論争を解消した。

ABSTRACT

While the parent compounds of the cuprate high temperature superconductors (high-Tc's) are Mott insulators, the iron-pnictide high-Tc's are in the vicinity of a metallic spin density wave (SDW) state, which highlights the difference between these two families. However, insulating parent compounds were identified for the newly discovered KxFe2-ySe2. This raises an intriguing question as to whether the iron-based high-Tc's could be viewed as doped Mott insulators like the cuprates. Here we report angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) evidence of two insulating and one semiconducting phases of KxFe2-ySe2, and the mesoscopic phase separation between the superconducting/semiconducting phase and the insulating phases. The insulating phases are characterized by the depletion of electronic states over a 0.5 eV window below the chemical potential, giving a compelling evidence for the presence of Mott-like physics. The charging effects and the absence of band folding in the superconducting/semiconducting phase further prove that the static magnetic and vacancy orders are not related to the superconductivity. Instead, the electronic structure of the superconducting phase is much closer to the semiconducting phase, indicating the superconductivity is likely developed by doping the semiconducting phase rather than the insulating phases.

研究の動機と目的

• KxFe2-ySe2鉄系超伝導体系における母体化合物の真の性質を特定すること。
• 超伝導性が磁気的またはバナディア・オーダー秩序を示す絶縁相と共存するかどうかの論争を解消すること。
• KxFe2-ySe2における超伝導性の電子的起源を特定すること、特にそれがモット絶縁体をドーピングすることで生じるのか、それとも準金属的／半導体的状態から生じるのかを明らかにすること。
• 観察された電子的相における電子相関、電荷秩序、磁気秩序の役割を明確にすること。

提案手法

• 21.2 eVの光子を用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、異なるKxFe2-ySe2試料の温度変化に伴う電子状態をプローブする。
• エネルギー分布曲線（EDCs）の分析とスペクトル重み移動を用いて、電荷誘起シフトおよびバンド再正規化を同定する。
• 密度汎関数理論（DFT）計算とARPESデータを比較することで、モット物理学とバンド構造効果を区別する。
• Tcを越えて温度依存測定を実施し、超伝導ギャップを検出するとともに、対称性を調べる。
• 電子線透過顕微鏡（TEM）および輸送測定データとARPES結果を照合することで、相分離および秩序パラメータを検証する。
• EDCsのバックグラウンド除去および対称化を実施し、充電効果を分離し、内在する電子的特徴を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KxFe2-ySe2における母体化合物の真の電子的性質は何か—モット絶縁体、バンド絶縁体、それとも準金属か？
• RQ2 超伝導性は、長距離的な磁気的またはバナディア・オーダー秩序を示す絶縁相と共存するか？
• RQ3 電子相関およびモット物理学は、絶縁相AIF1およびAFI2において果たす役割は何か？
• RQ4 明確なTEM観察による超格子調制があるにもかかわらず、なぜARPESスペクトルにバンドフォールディングが見られないのか？
• RQ5 超伝導相は、半導体的母体状態からドーピングされたものか、それとも絶縁的母体状態から生じるのか？

主な発見

• ARPESにより、2つの明確な絶縁相（AFI1およびAFI2）が同定され、それぞれが化学ポテンシャルより0.5 eV下でスペクトル重みの枯渇を示しており、モット的物理学を示唆している。
• 超伝導相では、ゾーン角付近の電子フェルミ表面で10 meVの超伝導ギャップを示し、Tcを越えて対称化されたEDCsにより確認された。
• ARPESにおける充電効果はピークシフトを引き起こすが、内在する電子的構造に影響を与えないため、磁気的およびバナディア秩序は超伝導相の本質的性質ではないことが示された。
• 半導体相はkz依存性が弱く、ドーピングによって強いバンド再正規化を示すため、超伝導性の実際の母体状態であると考えられる。
• ミクロ的相分離が確認された：超伝導／半導体相は絶縁的AFI1と共存しており、超伝導領域にバナディア秩序や磁気秩序に起因するバンドフォールディングの証拠は見つからなかった。
• 低温TEMにおけるブラッグピークの消失は、真のバナディア秩序の喪失ではなく、充電効果に起因するものであり、この点で重要な実験的矛盾が解消された。