[論文レビュー] Tuning across the BCS-BEC crossover in the multiband superconductor Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ : An angle-resolved photoemission study

Shahar Rinott, K.B. Chashka A. Ribak+5 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Iron-based superconductors research参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、化学ドーピングを用いて多バンド超伝導体Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$のフェルミエネルギーを調整し、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、反応相互作用を制御できない多バンド超伝導体においてBCS-BEC遷移に実験的にアクセスした。Δ/ε_Fが0.16から0.5に増加するに従い、BCSからBECへの連続的進化が示され、単一バンドモデルでは説明できない電子状態密度および対称性の変化が明らかになった。

ABSTRACT

The crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductivity to Bose-Einstein condensation (BEC) is difficult to realize in quantum materials because, unlike in ultracold atoms, one cannot tune the pairing interaction. We realize the BCS-BEC crossover in a nearly compensated semimetal Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ by tuning the Fermi energy, $ε_F$, via chemical doping, which permits us to systematically change $Δ/ ε_F$ from 0.16 to 0.5 were $Δ$ is the superconducting (SC) gap. We use angle-resolved photoemission spectroscopy to measure the Fermi energy, the SC gap and characteristic changes in the SC state electronic dispersion as the system evolves from a BCS to a BEC regime. Our results raise important questions about the crossover in multiband superconductors which go beyond those addressed in the context of cold atoms.

研究の動機と目的

• 反応相互作用を制御できない多バンド超伝導体において、BCS-BEC遷移を実験的にアクセスすること。
• 系がBCSからBEC領域に移行するに従い、電子構造および超伝導ギャップがどのように変化するかを調査すること。
• 複数のバンドおよびフェルミ表面トポロジーが遷移ダイナミクスに与える役割を調査すること。
• 多バンド効果が、超冷却原子系で観測された普遍的遷移行動をどのように修正するかを検証すること。
• BCS-BEC遷移領域全域にわたり、Δ/ε_F、ギャップの異方性、分散の再正規化を定量的に測定すること。

提案手法

• Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$の化学ドーピングにより、フェルミエネルギー（ε_F）を系統的に調整し、Δ/ε_Fの制御を行う。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子バンド構造、超伝導ギャップ（Δ）、フェルミ表面トポロジーを直接測定する。
• スペクトル重みの再分配および分散の再正規化を分析し、対称性の遷移の兆候を同定する。
• 複数のドーピングレベルにおける測定されたΔおよびε_Fを比較し、BCSからBECに近い対称性への進化をマップする。
• 多バンドフィッティングを用いてギャップパラメータおよびフェルミ表面のネスティング効果を抽出する。
• ARPESデータを、多バンド系におけるBCS-BEC遷移の理論モデルと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合する電子的不安定性を示す多バンド超伝導体において、BCS-BEC遷移はどのように現れるか？
• RQ2 バンド簡併およびフェルミ表面トポロジーは、普遍的遷移行動にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 Δ/ε_Fが0.16から0.5に増加するに従い、電子分散およびスペクトル重みにどのような変化が生じるか？
• RQ4 多バンド系において、超伝導ギャップの異方性はどのように遷移領域で変化するか？
• RQ5 相互作用強度を変化させない量子材料において、BCS-BEC遷移を実験的にアクセスできるか？

主な発見

• 化学ドーピングによりΔ/ε_Fを0.16から0.5に調整し、BCS-BEC遷移を制御されたスキャンでアクセスできた。
• ARPESにより、超伝導ギャップおよびスペクトル重みの連続的進化が観測され、対称性の強度が増加し、コherenceピークの広がりがBEC領域に近づくにつれて減少した。
• 電子分散には顕著な再正規化およびバンドシフトが見られ、遷移領域で強い結合効果が示された。
• 多バンド性により、普遍的でない行動が生じ、バンド依存のギャップ進化およびフェルミ表面再構築が顕著に現れた。
• データは単一バンドBCS-BEC理論からの明確な逸脱を示しており、多バンド効果が遷移物理学を支配していることを示唆した。
• 弱い結合BCSから強い結合BECに近い対称性への遷移が滑らかに進行し、相転移の兆候は一切観察されなかった。