[論文レビュー] Fermi surface of superconducting LaFePO determined by quantum oscillations

A. I. Coldea, J. D. Fletcher+8 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Jul 30, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、最大45 Tの高磁場下における量子振動を用いて、鉄系超伝導体LaFePOのフェルミ面をマッピングした。その結果、ほぼネストされた電子およびホールポケットを有する準二次元的構造が明らかになった。準粒子有効質量は約2倍に増大しており、強い多体相互作用およびスピン/電荷密度波不安定性への近接性を示しており、実験的格子定数を用いたバンド構造計算と整合的である。

ABSTRACT

We report extensive measurements of quantum oscillations in the normal state of the Fe-based superconductor LaFePO, (Tc ~ 6 K) using low temperature torque magnetometry and transport in high static magnetic fields (45 T). We find that the Fermi surface is in broad agreement with the band-structure calculations with the quasiparticle mass enhanced by a factor ~2. The quasi-two dimensional Fermi surface consist of nearly-nested electron and hole pockets, suggesting proximity to a spin/charge density wave instability.

研究の動機と目的

• 量子振動を用いて、鉄系超伝導体LaFePOの詳細なフェルミ面トポロジーを特定すること。
• 多体相互作用に起因する準粒子有効質量の増大とその起源を調査すること。
• フェルミ面のネスト度合いと、スピン/電荷密度波不安定性への影響を評価すること。
• 実験的フェルミ面特徴と、実験的格子定数を用いたバンド構造計算を比較すること。
• 電子ドーピングおよび構造的詳細（例：P原子位置）が電子状態に与える影響を理解すること。

提案手法

• 45 Tまでの高磁場下で、単結晶LaFePOにおけるde Haas-van Alphen（dHvA）量子振動を低温度トルク磁気測定法により検出した。
• dHvA周波数および振幅データの妥当性を確認するため、Shubnikov-de Haas（SdH）輸送測定を実施した。
• 振動信号の高速フーリエ変換（FFT）を用いて、dHvA周波数を抽出した。これらの周波数は、オンサッガー関係を介してフェルミ面の極値断面積と関連する。
• dHvA周波数の角度依存性を測定し、三次元フェルミ面形状の再構築と準二次元的性質の検証を行った。
• 実験的格子定数（P原子位置を含む）を用いたバンド構造計算を実施し、観測されたフェルミ面特徴と比較した。
• dHvA周波数および振幅データを用いて、有効質量とバンド質量の比から準粒子有効質量の増大を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導的LaFePOにおけるフェルミ面の詳細なトポロジーは何か？ また、バンド構造予測とどのように異なるか？
• RQ2 多体相互作用によって準粒子有効質量はどの程度増大しているか？ その増大度はどの程度か？
• RQ3 電子およびホールフェルミ面ポケットはほぼネストしているか？ これは電子的不安定性に何を示唆するか？
• RQ4 P原子位置などの構造的詳細が、実験とバンド構造計算の一致度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測されたフェルミ面体積の不均衡の原因は何か？ これは電子ドーピングや酸素非化学 stoichiometry とどのように関係するか？

主な発見

• LaFePOのフェルミ面は、4つの準二次元的シートから構成され、M点に近接して分裂した2つの電子ポケットと、Γ点に位置する2つのホールポケットを有する。dHvA周波数はそれぞれ約1 kTおよび約1.5 kTであった。
• 準粒子有効質量はバンド質量と比較して約2倍に増大しており、強い多体相互作用を示している。
• 電子およびホールフェルミ面ポケットは形状とサイズがほぼ同一であり、強いネスト性とスピン/電荷密度波不安定性への近接性を示している。
• 観測されたフェルミ面特徴は、実験的に決定されたP原子位置を用いたバンド構造計算によって最もよく再現されたが、リラックス構造では再現できなかった。
• 体積不均衡（約0.03電子/式単位）は酸素非化学 stoichiometry（約1.5%欠損）に起因し、わずかな電子ドーピングに起因するとされた。
• dHvA有効質量から推定された電子比熱係数（γ）は約6 mJ/mol K²であり、実験的値の下限付近と整合的であり、三次元ポケットからの寄与は最小限であると示唆された。