[論文レビュー] Simultaneous emergence of superconductivity, inter-pocket scattering and nematic fluctuation in potassium-coated FeSe superconductor

Zhiyi Ye, C. F. Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 30被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、カリウム被膜を施したFeSe単結晶において、超伝導、間ポケット散乱、ネミティック揺らぎが共存し、同時に出現することを明らかにした。イン・サイトでのカリウム蒸発を用いてドーピングを制御することで、著者らは、超伝導が電子ポケット間の間ポケット散乱を可能にするリシュツィッツ転移が発生する瞬間に生じることを示した。一方、強いネミティック揺らぎは広いドーピング範囲にわたり持続しており、電子ドーピングされたFeSe超伝導体におけるこれらの現象の深い相関関係を示している。

ABSTRACT

Superconductivity originates from pairing of electrons. Pairing channel on Fermi surface and pairing glue are thus two pivotal issues for understanding a superconductor. Recently, high-temperature superconductivity over 40 K was found in electron-doped FeSe superconductors including K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_2$, Li$_{0.8}$Fe$_{0.2}$OHFeSe, and 1 monolayer FeSe thin film. However, their pairing mechanism remains controversial. Here, we studied the systematic evolution of electronic structure in potassium-coated FeSe single crystal. The doping level is controlled precisely by in situ evaporating potassium onto the sample surface. We found that the superconductivity emerges when the inter-pocket scattering between two electron pockets is turned on by a Lifshitz transition of Fermi surface. The nematic order suppresses remarkably at the same doping and strong nematic fluctuation remains in a wide doping range of the phase diagram. Our results suggest an underlying correlation among superconductivity, inter-pocket scattering, and nematic fluctuation in electron-doped FeSe superconductors.

研究の動機と目的

• カリウム被膜を施したFeSe単結晶におけるドーピングを制御した状態での電子構造の進化を調査すること。
• 間ポケット散乱とネミティック揺らぎが超伝導の出現に果たす役割を特定すること。
• 電子ドーピングされたFeSeにおけるフェルミ面トポロジー、対称化メカニズム、ネミティック秩序の相関を明確にすること。
• 高Tc FeSeベース超伝導体における対称化メカニズムに関する未解決の論争を解消すること。

提案手法

• FeSe単結晶におけるドーピングレベルを正確に制御するために、イム・サイトでのカリウム蒸発が用いられた。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子構造およびフェルミ面トポロジーをマッピングした。
• ドーピング関数としてのフェルミ面ネスティングおよび間ポケット散乱の進化が分析された。
• スペクトル重みおよび電子構造の異方性を通じて、ネミティック揺らぎの強度が調査された。
• リシュツィッツ転移が、間ポケット散乱を引き起こす主要なトポロジカル変化であると特定された。
• ドーピング依存のARPESデータに基づく相図の構築により、超伝導、散乱、ネミティシティの共存領域が特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カリウム被膜を施したFeSeにおける超伝導は、どのドーピングレベルで出現し、その遷移を伴う電子的変化は何か？
• RQ2 電子ドーピングされたFeSeにおける超伝導の出現と間ポケット散乱は、どのように関連しているか？
• RQ3 超伝導転移付近では、ネミティック揺らぎはどの程度持続するのか、フェルミ面トポロジーとどのように相関するか？
• RQ4 この系において、リシュツィッツ転移と超伝導の出現との間に直接的な関連があるか？
• RQ5 高Tc FeSe超伝導体における対称化メカニズムにおいて、ネミティック秩序と揺らぎは果たす役割は何か？

主な発見

• 超伝導は、KドーピングされたFeSeにおける電子フェルミポケット間の間ポケット散乱を可能にするリシュツィッツ転移が発生する瞬間に正確に出現する。
• 間ポケット散乱の開始は、超伝導の出現と一致しており、この散乱プロセスとクーパー対形成との直接的な関連を示唆している。
• ネミティック揺らぎは、長距離ネミティック秩序が抑制されても、広いドーピング範囲にわたり強く残存する。
• 超伝導、間ポケット散乱、ネミティック揺らぎの共存は、これらの競合的かつ共存的秩序の間の強い相関関係を示している。
• ARPES測定により、フェルミ面トポロジーがドーピングに伴い連続的に変化することが確認され、超伝導の臨界ドーピングはトポロジカル遷移と一致している。
• 結果は、間ポケット散乱とネミティック揺らぎが、電子ドーピングされたFeSeにおける高Tc対称化メカニズムの不可欠な一部であるというシナリオを支持している。