[論文レビュー] Orbital selective correlations between nesting/scattering/Lifshitz transition and the superconductivity in AFe1-xCoxAs (A=Li, Na)

Z. R. Ye, Y. Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、AFe₁₋ₓCoₓAs（A=Li, Na）における超伝導性が軌道選択的であることを明らかにした。超伝導性は、$d_{xz}$/$d_{yz}$ フェルミ表面ポケット間のネストによってのみ強化され、$d_{xy}$ 軌道を含むネストによっては強化されない。$d_{xz}$/$d_{yz}$ 軌道が電子ポケットに変わるリーフシッツ転移を経ると超伝導性は消失し、$d_{xz}$/$d_{yz}$ バンドはコバルトドーピング散乱に対して顕著に頑健であるため、材料のドーピング耐性が説明できる。

ABSTRACT

The correlations between the superconductivity in iron pnictides and their electronic structures are elusive and controversial so far. Here through angle-resolved photoemission spectroscopy measurements, we show that such correlations are rather distinct in AFe$_{1-x}$Co$_x$As (A=Li, Na), but only after one realizes that they are orbital selective. We found that the superconductivity is enhanced by the Fermi surface nesting, but only when it is between $d_{xz}/d_{yz}$ Fermi surfaces, while for the $d_{xy}$ orbital, even nearly perfect Fermi surface nesting could not induce superconductivity. Moreover, the superconductivity is completely suppressed just when the $d_{xz}/d_{yz}$ hole pockets sink below Fermi energy and evolve into an electron pocket. Our results thus establish the orbital selective relation between the Fermiology and the superconductivity in iron-based superconductors, and substantiate the critical role of the $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals. Furthermore, around the zone center, we found that the $d_{xz}/d_{yz}$-based bands are much less sensitive to impurity scattering than the $d_{xy}$-based band, which explains the robust superconductivity against heavy doping in iron-based superconductors.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体におけるフェルミ表面トポロジーの役割に関する長年の論争を解消すること。
• 異なる軌道が、ネスト、リーフシッツ転移、不純物散乱に関連して超伝導ペアリングを媒介する際に果たす役割が異なるかどうかを特定すること。
• 強い不純物散乱にもかかわらず超伝導性が強く保たれる理由を、軌道特異的な電子的応答を調べることで明らかにすること。

提案手法

• 高品質なLiFe₁₋ₓCoₓAsおよびNaFe₁₋ₓCoₓAs単結晶を用いた、高エネルギー分解能および高動量分解能を有する角度分解光電子分光法（ARPES）。
• 測定されたスペクトル強度マップにおける軌道特徴の特定を高めるために、混合および線形偏光の使用。
• 複数の組成（例：LC17, NC4.5, NC32）における体系的なドーピング進化研究を通じて、フェルミ表面の変化と超伝導ギャップの進化を追跡。
• スペクトル線幅（半値全幅、FWHM）の分析により、軌道依存の不純物散乱効果を定量的に評価。
• 磁気フラクチュエーションとペアリング対称性を評価するため、NMRのスピン格子緩和率との比較。
• ARPESデータからのバンド構造再構成により、軌道特異的なフェルミ表面ネストおよびリーフシッツ転移の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ表面ネストは鉄pn正超伝導体において普遍的に超伝導性を向上させるのか、それとも軌道依存的なのか？
• RQ2 $d_{xz}$/$d_{yz}$ ホールポケットがフェルミエネルギー以下に沈下し、電子ポケットに変わるリーフシッツ転移が起こると、超伝導性はどのように変化するのか？
• RQ3 強い不純物散乱があるにもかかわらず、AFe₁₋ₓCoₓAsにおける超伝導性がなぜ強いドーピング耐性を示すのか？
• RQ4 異なる軌道（$d_{xy}$, $d_{xz}$, $d_{yz}$）は不純物散乱に対してどのように応答するのか？ これは観察されたドーピング耐性を説明できるか？
• RQ5 鉄系超伝導体における超伝導ペアリング機構は、KₓFe₂₋ySe₂のような鉄 chalcogenides とは根本的に異なるものなのか？

主な発見

• 超伝導性は、$d_{xz}$ と $d_{yz}$ フェルミ表面ポケット間の完全なネストが成立する場合にのみ最大値に達し、NaFe₁₋ₓCoₓAsでは $T_C$ ~ 18 K で観察された。
• LiFe₀.₈₃Co₀.₁₇Asにおける $d_{xy}$ フェルミ表面ポケット間の完全なネストでも超伝導性は誘発されないため、軌道選択的であることが実証された。
• $d_{xz}$/$d_{yz}$ ホールポケットがフェルミエネルギー以下に沈下し、電子ポケットに変化すると、超伝導性は完全に抑制される。これは、リーフシッツ転移が超伝導性の制御点として重要な役割を果たすことを示している。
• $d_{xz}$/$d_{yz}$ ベースのバンドはコバルトドーピングに対しても線幅（FWHM）の広がりが最小限に抑えられており、不純物散乱に対して強い耐性を示している。これに対して、$d_{xy}$ ベースの $\gamma$ バンドは著しく広がる。
• $d_{xy}$ バンドの線幅はドーピングに伴い急激に増加するが、$\alpha$ および $\beta$ バンド（$d_{xz}$/$d_{yz}$ 由来）はほとんど変化せず、軌道選択的散乱効果が確認された。
• LC9（Tc < 5 K）においても小さな $\kappa$ ポケットが出現しても超伝導性が持続していることから、他のフェルミ表面シートからの残存ペアリングが存在するが、$\kappa$ ポケットの増大は超伝導性の向上をもたらさない。