[論文レビュー] Identification of prototypical Brinkman-Rice Mott physics in a class of iron chalcogenides superconductors

X. H. Niu, S. D. Chen+18 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 13

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、122*-系鉄 chalcogenides において、同価不純物ドーピングに伴うバンド幅の減少が、変化しないフェルミ表面を伴って金属から超伝導体へ、さらにはモット絶縁体へと遷移することを実証した。結果は、典型的なブリンクマン＝ライス・モット物理学の状態を特定し、中程度の電子相関が、空孔ポケットを有しないこれらの系における超伝導性を強化することを明らかにした。

ABSTRACT

The 122$^{*}$ series of iron-chalcogenide superconductors, for example K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$, only possesses electron Fermi pockets. Their distinctive electronic structure challenges the picture built upon iron pnictide superconductors, where both electron and hole Fermi pockets coexist. However, partly due to the intrinsic phase separation in this family of compounds, many aspects of their behavior remain elusive. In particular, the evolution of the 122$^{*}$ series of iron-chalcogenides with chemical substitution still lacks a microscopic and unified interpretation. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we studied a major fraction of 122$^{*}$ iron-chalcogenides, including the isovalently `doped' K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$, Rb$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$Te$_z$ and (Tl,K)$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$. We found that the bandwidths of the low energy Fe extit{3d} bands in these materials depend on doping; and more crucially, as the bandwidth decreases, the ground state evolves from a metal to a superconductor, and eventually to an insulator, yet the Fermi surface in the metallic phases is unaffected by the isovalent dopants. Moreover, the correlation-driven insulator found here with small band filling may be a novel insulating phase. Our study shows that almost all the known 122$^{*}$-series iron chalcogenides can be understood {\it via} one unifying phase diagram which implies that moderate correlation strength is beneficial for the superconductivity.

研究の動機と目的

• 122*-系鉄 chalcogenides に空孔フェルミポケットが存在しない中で、超伝導性の未解決な微視的起源を解明すること。
• 相分離や空孔ドーピングを伴わない状況下での電子相関とバンド幅の進化の役割を理解すること。
• 多様な122*-系化合物の電子的挙動を一つの相図で統一すること。
• 観測された絶縁状態が中程度の相関によって駆動される新しいモット絶縁体であるかどうかを特定すること。
• 相関電子系におけるバンド幅の減少と超伝導性の出現との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• KxFe2−ySe2−zSz、RbxFe2−ySe2−zTez、および(Tl,K)xFe2−ySe2−zSz の電子構造をプローブするために角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• S や Te による同価不純物ドーピングの体系的変動により、電子数とフェルミ表面トポロジーを維持したままバンド幅を調整可能であった。
• ドーピング系列全体における Fe 3d バンドの分散からバンド幅の進化が抽出された。
• 金属的・超伝導的・絶縁的の各状態の遷移が、バンド幅の関数としてマップされた。
• 絶縁相におけるフェルミ準位でのギャップの開く兆候をテストするため、データが分析された。
• バンド幅とドーピングレベルに基づいて、全観測状態を結びつける統一された相図が構築された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同価不純物ドーピングは、122*-系鉄 chalcogenides のバンド幅と電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 超伝導的・絶縁的挙動の変化にもかかわらず、フェルミ表面は同価不純物ドーピング下でも不変のままであるか？
• RQ3 観測された絶縁状態は、中程度の電子相関によって駆動されるモット絶縁体と特定できるか？
• RQ4 これらの材料における金属－超伝導体－絶縁体遷移を説明する統一された相図は存在するか？
• RQ5 空孔ポケットを有しない系において、電子相関の強さが超伝導性を強化する役割を果たすか？

主な発見

• S や Te のドーピング量が増加するに従い、Fe 3d バンドのバンド幅が体系的に減少し、運動エネルギーの低下を示している。
• バンド幅の減少にもかかわらず、全ドーピングレベルでフェルミ表面が変化せず、電子ポケットトポロジーの強靭性が示された。
• バンド幅が減少するに従い、基底状態は金属から超伝導体へ、さらに絶縁体へと遷移し、中程度の相関強度で超伝導性が出現した。
• 低バンドフィリング領域における絶縁状態はフェルミ準位にギャップを示し、モット物理学に一致しており、中程度の相関によって駆動される新しい絶縁体である可能性を示唆した。
• バンド幅を主要な調整パrameterとして用いることで、122*-系の全観測状態を説明する統一された相図が成立した。
• 結果は、ブリンクマン＝ライス・モット物理学に特徴づけられる中程度の電子相関が、これらの鉄 chalcogenides における超伝導性を最適化することを示した。