[論文レビュー] Orbital-dependent electron correlation effect on the two- and three-dimensional Fermi surfaces in KFe2As2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy

Tetsuo Yoshida, S. Ideta+15 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2012

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、複数の光子エネルギーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、穴過ドープな鉄ヒ素化物超伝導体KFe2As2における三次元フェルミ面をマッピングした。軌道依存性の電子相関効果が明らかになった：$xy$軌道成分を有するフェルミ面（例：$\beta$バンド）はLDA予測よりも顕著に大きく、$yz/zx$成分を有するバンド（$\alpha$, $\zeta$）は小さく、強い有効質量増大と軌道選択的相関を示しており、de Haas-van Alphen測定および低 $T_c \sim$ 4 Kと整合的である。

ABSTRACT

We have performed an angle-resolved photoemission study of the hole-overdoped iron pnictide superconductor KFe2As2, which shows a low Tc of ~4 K. Most of the observed Fermi surfaces show nearly two-dimensional shapes, while a band near the Fermi level shows a strong dispersion along the kz direction and forms a small three-dimensional hole pocket centered at the Z point, as predicted by band-structure calculation. However, hole Fermi surfaces of yz and zx orbital character centered at the Γpoint of the two-dimensional Brillouin zone are smaller than those predicted by the calculation while the other hole Fermi surfaces of xy orbital character is much larger. Clover-shaped hole Fermi surfaces around the corner of the 2D BZ are also larger than those predicted by the calculation. These observations are consistent with the de Haas-van Alphen measurement and indicate orbital-dependent electron correlation effects. The effective masses of the energy bands show moderate to strong enhancement, partly due to electron correlation and partly due to energy shifts from the calculated band structure.

研究の動機と目的

• 穴過ドープな鉄ヒ素化物超伝導体KFe2As2の三次元フェルミ面構造を解明すること。この材料は低 $T_c \sim$ 4 Kを示す。
• バンド構造計算と実験的フェルミ面観測の間の乖離の原因を解明すること。特に、$\alpha$および$\zeta$ホールポケットの縮小と、$\beta$および$\epsilon$ポケットの拡大に注目する。
• 偏光依存ARPESを用いてフェルミ面の軌道特性を同定し、電子相関効果と関連付けること。
• ARPESから得られる有効質量とde Haas-van Alphen（dHvA）測定値を一致させ、電子相関が電子構造に与える影響を評価すること。

提案手法

• スタンフォード線形放射光施設（SSRL）およびアドバンスド光源（ALS）で角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、$k_z$分散を評価するために14〜40 eVの光子エネルギーを用いた。
• KFe2As2の高品質な単結晶を15 Kおよび超高真空（$<5 \times 10^{-11}$ Torr）でイン・スイッチに割り、表面の完全性を保った。
• 偏光依存ARPES測定を用いてフェルミ面シートの軌道特性（$xy$、$yz$、$zx$）を特定した。
• 実験データと比較するため、フル・ポテンシャルLAPW法を用いた局所密度近似（LDA）によるバンド構造計算を実施した。
• ARPESスペクトルから有効質量を抽出し、dHvA測定値およびLDA結果と比較することで、電子相関効果の影響を評価した。
• ARPESから得た有効質量から電子比熱係数 $\gamma$ を推定し、実験値と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、$yz/zx$軌道成分を有する$\alpha$および$\zeta$ホールフェルミ面は、LDAバンド構造計算の予測よりも小さく見えるのか？
• RQ2 なぜ、$xy$軌道成分を有する$\beta$ホールフェルミ面およびゾーン角付近のクローバーシェイプの$\epsilon$ポケットは、LDA予測よりも大きく見えるのか？
• RQ3 軌道依存性電子相関効果が、KFe2As2における観察されたフェルミ面再構築をどの程度説明できるのか？
• RQ4 特に$Z$点付近での$k_z$方向分散を示す$\zeta$フェルミ面の三次元的性質は、超伝導ギャップ構造にどのように影響するのか？
• RQ5 $\beta$バンドにおける顕著な有効質量増大は、ノードなしの超伝導ギャップかノードありのギャップかをどのように示唆するのか？また、これは対称性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• $xy$軌道成分を有する$\beta$ホールフェルミ面は、LDA予測よりも顕著に大きく、有効質量 $m^* \sim 16-18 m_e$ であり、強い軌道選択的相関効果を示している。
• $\Gamma$点付近の$\alpha$および$\zeta$ホールフェルミ面（$yz/zx$軌道成分）はLDA予測よりも小さく、dHvA測定で観測された有効質量増大とフェルミ面の縮小と整合的である。
• ゾーン角付近のクローバーシェイプの$\epsilon$フェルミ面はLDA予測よりも大きく、さらに軌道依存的再規格化を支持する証拠となった。
• ARPESから得た有効質量（$m^* \sim 3-4$倍のバンド質量）はdHvA測定値とよく一致し、中程度から強い電子相関効果を確認した。
• ARPESから推定した電子比熱係数 $\gamma \sim$ 84 mJ/mol K²は、実験値 $\sim$ 70 mJ/mol K²とよく一致しており、ARPESによる有効質量増大の妥当性が裏付けられた。
• 特に$Z$点付近での$k_z$分散を示す$\zeta$フェルミ面の三次元的性質は、小さな3次元ホールポケットの存在を支持し、超伝導ギャップに水平的ノードを favour する可能性がある。