[論文レビュー] Observation of Dirac Cone Electronic Dispersion in BaFe2As2

P. Richard, K. Nakayama+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、スピン密度波（SDW）転移温度（138 K）未満のBaFe2As2の電子構造において、わずかに異方性を示すディラック・コーンを、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて同定した。ディラック・コーンの頂点はフェルミ準位に非常に近い位置にあり、これにより微小なフェルミ表面ポケットが生成される。周囲のバンドは節を持つSDWギャップを示しており、母体化合物がバンド構造に内在するトポロジカルな電子的特徴を持つ節を持つSDW材料として最も適切に記述されることを示唆している。

ABSTRACT

We performed an angle-resolved photoemission spectroscopy study of BaFe2As2, which is the parent compound of the so-called 122 phase of the iron-pnictide high-temperature superconductors. We reveal the existence of a Dirac cone in the electronic structure of this material below the spin-density-wave temperature, which is responsible for small spots of high photoemission intensity at the Fermi level. Our analysis suggests that the cone is slightly anisotropic and its apex is located very near the Fermi level, leading to tiny Fermi surface pockets. Moreover, the bands forming the cone show an anisotropic leading edge gap away from the cone that suggests a nodal spin-density-wave description.

研究の動機と目的

• 鉄ヒ素化超伝導体の母体化合物、特にBaFe2As2における低エネルギー電子状態の性質を解明すること。
• 量子振動実験から推定される微小なフェルミ表面ポケットが、フェルミ表面再構成に起因するのか、それともバンド構造におけるトポロジカルな異常によるものなのかを特定すること。
• スピン密度波（SDW）秩序が電子分散およびフェルミ表面トポロジの形成に果たす役割を調査すること。
• 観測された電子的特徴が節を持つSDWシナリオと整合しているか、あるいは交換スプリングを含む他のモデルと一致するかを明確にすること。
• トポロジカルなバンド特徴（特にディラック・コーン）と122系鉄ヒ素化超伝導体における非摂動的超伝導の出現との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 高品質なBaFe2As2単結晶を真空中で25 Kで切断し、高エネルギー分解能（7–14 meV）および高角度分解能（0.2°）を有する角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて測定を実施した。
• 25 Kから170 Kの温度範囲で測定を実施し、フェルミ準位を金の基準を用いて補正した。
• Fe格子によって定義される再構成されていないブリユアンゾーンを基準としてデータを解析し、格子定数aを用いてモーメンタム空間をマッピングした。
• M点付近のカットに沿ったエネルギー分布曲線（EDC）から、先端ギャップ（LEG）を抽出し、角度依存性（ω）を分析してギャップの異方性をマッピングした。
• 対称化されたEDCおよび二電子強度プロット（2EIP）を用いて、ディラック・コーンを形成するギャップを持つバンドの存在を確認した。
• 3次元的な異方性を示すディラック・コーンの理論的モデルを構築し、実験データと比較することで頂点位置およびギャップ構造を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TSDW未満のBaFe2As2の電子構造にディラック・コーンが存在するか。その頂点はフェルミ準位に対してどの位置にあるか？
• RQ2 BaFe2As2で観測されたフェルミ表面ポケットは、トポロジカルなディラック・コーンに起因するのか、それともSDW秩序に起因するフェルミ表面再構成に起因するのか？
• RQ3 ディラック・コーンを形成するバンドのギャップ構造の性質は何か。節を持つSDW記述と整合するか？
• RQ4 ディラック・コーンの異方性およびギャッププロファイルは、観測された光電子分光強度パターンおよびフェルミ表面トポロジとどのように関連しているか？
• RQ5 観測されたトポロジカル異常は、ARPESでは大きなホール型ポケットが観測されないにもかかわらず、量子振動実験で検出された微小なフェルミ表面ポケットを説明できるか？

主な発見

• 138 K未満のBaFe2As2において、わずかに異方性を示すディラック・コーンが観測された。これはモーメンタム空間におけるΛ点に中心を置き、その頂点はフェルミ準位に非常に近い位置に位置している。
• ディラック・コーンは、Γ–M線の(0.75π, 0)近辺でフェルミ準位に近い高強度の光電子分光スポットとして確認された微小なフェルミ表面ポケットを生成している。
• コーンを形成するバンドは節を持つスピン密度波ギャップを示しており、角度ωが0°から25°に増加するに従い、先端ギャップがより大きな束縛エネルギーにシフトしている。
• 対称化されたEDCおよび2EIPデータから、コーンに近接する2つの電子的バンドがギャップを持ち、それぞれ約50 meVおよび30 meVのギャップ値を示しており、これにより全SDWギャップがそれぞれ約100 meVおよび約60 meVであると推定される。
• 観測されたギャップ値は、光学測定で報告された110 meVおよび45 meVのギャップと妥当な一致を示しており、節を持つSDWモデルを支持する。
• ディラック・コーンの頂点がkz分散に敏感であることに着目すると、kz依存のわずかなシフトが、量子振動実験で観測された極めて微小なフェルミ表面ポケットの系列を説明できる可能性がある。