[論文レビュー] Evolution of the Fermi surface of the nematic superconductors FeSe1-xSx

A. I. Coldea, SF Blake+14 more|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|Nov 22, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、低温（0.3 K）で最大45 Tの高磁場下における量子振動を用いて、FeSe₁₋ₓSₓにおけるフェルミ面および準粒子性質の進化を調査した。硫黄置換による化学的圧力がフェルミ面サイズを単調に増大させ、特に外側のバンドに対して顕著であることが判明した。これは、dxy軌道のポケットでは質量の再正規化が強化され、dxz/yz軌道では抑制されることを示しており、超伝導性は低下する。この結果は、これらの系における高Tc超伝導性にネミティック性が不可欠でない可能性を示唆する。

ABSTRACT

We investigate the evolution of the Fermi surfaces and electronic interactions across the nematic phase transition in single crystals of FeSe1-xSx using Shubnikov-de Haas oscillations in high magnetic fields up to 45 tesla in the low temperature regime. The unusually small and strongly elongated Fermi surface of FeSe increases monotonically with chemical pressure, x, due to the suppression of the in-plane anisotropy except for the smallest orbit which suffers a Lifshitz-like transition once nematicity disappears. Even outside the nematic phase the Fermi surface continues to increase, in stark contrast to the reconstructed Fermi surface detected in FeSe under applied external pressure. We detect signatures of orbital-dependent quasiparticle mass renomalization suppressed for those orbits with dominant dxz=yz character, but unusually enhanced for those orbits with dominant dxy character. The lack of enhanced superconductivity outside the nematic phase in FeSe1-xSx suggest that nematicity may not play the essential role in enhancing Tc in these systems.

研究の動機と目的

• 高磁場を用いて、FeSe₁₋ₓSₓにおけるネミティック量子相転移領域でのフェルミ面および電子的相互作用の進化を解明すること。
• 硫黄置換による化学的圧力がフェルミ面トポロジーおよび準粒子質量に与える影響を特定すること。
• 鉄系超伝導体における超伝導転移温度（Tc）の向上にネミティック秩序が果たす役割を評価すること。
• FeSe₁₋ₓSₓにおける化学的圧力の効果を、FeSeにおける水圧圧力と比較し、フェルミ面再構築およびTc向上の観点から検討すること。
• 軌道選択的相関およびリフシッツ遷移が、電子的相競合において果たす役割を調査すること。

提案手法

• FeSe₁₋ₓSₓの単結晶を用いて、0.3 Kまで冷却した状態で最大45 Tの磁場下でシュブニコフ＝ド・ハース量子振動測定を実施した。
• 国立高磁場研究所（NHMFL）および高磁場磁気研究所（HFML）で³He冷却システムを用いて、磁気輸送測定を実施した。
• 振動的抵抗率データから周波数スペクトルを抽出するために、高速フーリエ変換（FFT）および最大エントロピー法（MEM）を用いた。
• 先行するバンド構造研究に基づき、計算された正方晶相フェルミ面を150 meV以上縮小することで、フェルミ面極値面積をマッピングした。
• 観測された量子振動周波数と軌道特性（dxy、dxz/yz）を関連付けることで、軌道依存の準粒子質量再正規化を推定した。
• フェルミ面断面の線形外挿法を用い、x ≈ 1（FeS）に近い領域の挙動を推定し、理論予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 硫黄置換による化学的圧力が、ネミティック相転移領域を越えてFeSe₁₋ₓSₓのフェルミ面トポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 軌道選択的準粒子質量再正規化は、FeSe₁₋ₓSₓの電子的性質にどのような役割を果たし、xの増加に伴いどのように変化するか？
• RQ3 化学的圧力によるネミティック性の抑制は、FeSeにおける水圧圧力下で観察されるのと同様のフェルミ面再構築を引き起こすか？
• RQ4 高圧下での高Tc超伝導性が示唆するように、ネミティック秩序はFeSe系においてTcの向上に不可欠か？
• RQ5 軌道依存相関および可能性のあるリフシッツ遷移は、FeSe₁₋ₓSₓの電子的相図にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• FeSe₁₋ₓSₓのフェルミ面は、ネミティック相を超えて硫黄含有量xの増加に伴い単調に拡大するが、水圧圧力下で観察される再構築フェルミ面とは対照的である。
• 主にdxy軌道成分を有する外側の電子バンドでは、xの増加に伴い準粒子質量再正規化が強化され、特にネミティック相を超えて顕著である。
• 混合dxz/yz軌道成分を有する外側のホールバンドでは、xの増加に伴い準粒子質量再正規化が低下し、軌道選択的相関の存在を示している。
• 最小のフェルミ面軌道にリフシッツ様の遷移が観察され、ネミティック性の消失と関連しており、フェルミ面のトポロジー的変化を示唆している。
• フェルミ面サイズの連続的増大および軌道依存相関にもかかわらず、超伝導Tcはxの増加に伴い抑制されるため、ネミティック性が高Tc超伝導性の主因でない可能性がある。
• FeSe₁₋ₓSₓにおけるフェルミ面進化は、10 kbar未満の低圧下でのFeSeと類似しており、高圧下での高Tc超伝導性がネミティック状態から分離されている可能性を示唆している。