[論文レビュー] Heavily electron-doped electronic structure and isotropic superconducting gap in AxFe2Se2 (A=K,Cs)

Yi-Ling Zhang, Lei Yang+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 203

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、重度に電子ドーピングされたAxFe₂Se₂（A=K, Cs）の電子状態および超伝導ギャップを調査した。その結果、ホールフェルミ面は観測されず、~10.3 meVの等方的s波超伝導ギャップが確認された。ゾーン中心付近にホールフェルミ面が存在しないことは、間接的フェルミ面ネストやs±対称性の必要性を疑問視するものであり、この高度に電子ドーピングされた鉄系超伝導体では、より一般的なs波対称性のペアリング機構が支配的である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The low energy band structure and Fermi surface of the newly discovered superconductor, AxFe2Se2 (A=K,Cs), have been studied by angle-resolved photoemission spectroscopy. Compared with iron pnictide superconductors, AxFe2Se2 (A=K,Cs) is the most heavily electron-doped with Tc~30 K. Only electron pockets are observed with an almost isotropic superconducting gap of ~10.3 meV, while there is no hole Fermi surface near the zone center, which indicates the inter-pocket hopping or Fermi surface nesting is not a necessary ingredient for the unconventional superconductivity in iron-based superconductors. Thus, the sign changed s$_\pm$ pairing symmetry, a leading candidate proposed for iron-based superconductors, becomes conceptually irrelevant in describing the superconducting state here. A more conventional s-wave pairing is a better description.

研究の動機と目的

• 現在までに発見された最も重度に電子ドーピングされた鉄系超伝導体であるAxFe₂Se₂（A=K, Cs）の電子状態および超伝導ギャップを調査すること。
• 鉄系材料における非摂動的超伝導性を駆動する要因として、フェルミ面ネストまたは間接的フェルミ面散乱が不可欠であるかどうかを特定すること。
• ギャップの異方性を測定することで、これらの高電子ドーピング系においてs±対称性が成立するかを評価すること。
• AxFe₂Se₂における超伝導状態が、従来のs波対称性か、非摂動的s±対称性か、どちらによってより適切に記述されるかを評価すること。
• ホールフェルミ面が存在しない状況において、電子フェルミ面がどのように強固な超伝導性を維持しているかを検討すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）は、ヘリウム-アイオーングラム（He-Iα）紫外線光源（21.2 eV）と、9–12 meVのエネルギー分解能および0.3°の角度分解能を有するScienta R4000電子アナライザーを用いて実施された。
• 超高真空（~5×10⁻¹¹ torr）下で単結晶をイン・スイットに割り、表面状態を保持し、汚染を避けるための処理が行われた。
• 超伝導ギャップおよびスペクトル重みの温度依存性を調べるため、10 Kまで冷却した状態で、さまざまな温度での光電子強度マップおよびエネルギー分布関数（EDC）を測定した。
• 対称化されたEDCを用いて、フェルミ準位付近の明確なピーク位置を特定し、超伝導ギャップ振幅を抽出した。
• ギャップの運動量依存性を評価するため、δフェルミポケットのM点付近およびκバンドのΓ点付近でのギャップ構造をマッピングした。
• X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）により、K₀.₈Fe₂Se₂およびCs₀.₈Fe₂Se₂結晶のステノメトリック組成と実際の化学組成が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AxFe₂Se₂（A=K, Cs）にホールフェルミ面が存在しない場合、フェルミ面ネストが非摂動的超伝導性を駆動する要因として無効化されるのだろうか？
• RQ2 AxFe₂Se₂における超伝導ギャップは等方的か異方的か。この結果はペアリング対称性にどのような含意を持つのか？
• RQ3 鉄系超伝導体の主要候補とされているs±ペアリング対称性は、ホールポケットのみを有する系でも維持可能だろうか？
• RQ4 超伝導ギャップの大きさ（~10.3 meV）はBCS理論の予測と比較してどうなるのか。これはペアリング機構にどのような含意を持つのか？
• RQ5 観測された電子状態は、弱い結合の間軌道s±ペアリングと比較して、強い結合の内軌道s波ペアリング像をどれほど支持しているのか？

主な発見

• AxFe₂Se₂（A=K, Cs）は、鉄系超伝導体の中で最も重度に電子ドーピングされた電子状態を示し、ゾーン中心付近にホールフェルミ面は存在しない。
• 観測されたのは電子フェルミポケットのみであり、超伝導ギャップは等方的で、大きさは~10.3 meVであり、~4kBTcに相当する。
• Γ点（κバンド）におけるギャップはM点（δバンド）周辺と比較して顕著に小さい（~4 meV）ため、s±対称性の予想されるcoskₓcoskᵧ依存性を満たさない。
• ホールフェルミ面の欠如と等方的ギャップ構造は、この系における超伝導性の主要メカニズムとして、間接的フェルミ面散乱やネストが不可欠であることを排除する。
• データは、超伝導状態が非摂動的s±対称性ではなく、従来のs波ペアリング対称性によってより適切に記述される可能性を強く示唆している。
• ホールフェルミ面が存在しない状況でも強固な超伝導性が維持されていることは、バンド間 hopping がペアリングメカニズムとして支配的ではない可能性を示し、強い結合・内軌道ペアリングのシナリオを支持する。