[論文レビュー] Van Hove singularities, chemical pressure and phonons: an angle-resolved photoemission study of KFe$_2$As$_2$ and CsFe$_2$As$_2$

P. Richard, Ambroise van Roekeghem+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2018

Iron-based superconductors research参考文献 49被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）および第一原理計算を用いて、負の化学的圧力下でKFe₂As₂およびCsFe₂As₂におけるvan Hove特異点がフェルミ準位に近づくことを示した。これにより状態密度が増大し、大きな Sommerfeld係数に寄与する。特異点がフェルミ準位に近接していることは、抵抗率における高エネルギークロスオーバーと相関し、超伝導転移温度の異常な圧力依存性を説明する可能性がある。

ABSTRACT

We report an angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of KFe$_2$As$_2$ and CsFe$_2$As$_2$, revealing the existence of a van Hove singularity affecting the electronic properties. As a result of chemical pressure, we find a stronger three-dimensionality in KFe$_2$As$_2$ than in CsFe$_2$As$_2$, notably for the 3$d_{z^2}$ states responsible for the small three-dimensional hole-like Fermi surface pocket reported by quantum oscillations. Supported by first-principles calculations, our ARPES study shows that the van Hove singularity previously reported in KFe$_2$As$_2$ moves closer to the Fermi level under negative chemical pressure. This observation, which suggests that the large density-of-states accompanying the van Hove singularity contributes to the large Sommerfeld coefficient reported for the AFe$_2$As$_2$ (A = K, Rb, Cs) series, is also consistent with the evolution of the inelastic scattering revealed by transport under external pressure, thus offering a possible interpretation for the origin of the apparent change in the superconducting order parameter under pressure. We find that the coherent spectral weight decreases exponentially upon increasing temperature with a characteristic temperature $T^*$. We speculate how the low-energy location of the van Hove singularity and the presence of a low-energy peak in the phonon density-of-states can relate to the high-temperature crossover observed in various electronic and thermodynamic quantities.

研究の動機と目的

• 角度分解光電子分光法（ARPES）および第一原理計算を用いて、KFe₂As₂およびCsFe₂As₂の電子構造を調査すること。
• 化学的圧力がAFe₂As₂（A = K, Cs）化合物における三次元性および電子相関に与える影響を特定すること。
• van Hove特異点が Sommerfeld係数の増大および超伝導特性に与える役割を検討すること。
• van Hove特異点の位置と観測された高エネルギー抵抗率クロスオーバー、およびTcの圧力依存性の逆転との相関を調べること。
• 電子相関、フォノンモード、およびT*近傍におけるスペクトル重みの抑制の間の相乗作用を評価すること。

提案手法

• 低温およびさまざまな化学的圧力下で、KFe₂As₂およびCsFe₂As₂の単結晶に対して角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• バンド分散および状態密度のモデル化を目的とした第一原理電子構造計算を実施し、化学的圧力の効果を含めた。
• momentum空間におけるvan Hove特異点の位置と、負の化学的圧力下でのフェルミ準位からの相対的変化をマッピングした。
• 温度依存のARPESスペクトルを解析し、スペクトル重みが指数関数的に減少する特徴的な温度T*を抽出した。これはフェルミ液体の秩序の喪失を示している。
• 高エネルギー抵抗率クロスオーバーのエネルギースケールとフォノン状態密度、特にフォノンスペクトルの最初のピークとの相関を分析した。
• 輸送特性およびNMR測定を用いて、高エネルギークロスオーバーのエネルギースケールを定量化し、van Hove特異点の位置と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的圧力は、KFe₂As₂およびCsFe₂As₂における電子構造の三次元的性質にどのように影響するか？
• RQ2 AFe₂As₂（A = K, Rb, Cs）化合物において、van Hove特異点が Sommerfeld係数の増大に果たす役割は何か？
• RQ3 フェルミ準位からのvan Hove特異点の位置が、圧力下における超伝導転移温度Tcに与える影響は何か？
• RQ4 鉄系超伝導体で観測された高エネルギー抵抗率クロスオーバーの起源は何か？また、電子的およびフォノン的自由度とどのように関連しているか？
• RQ5 強い電子相関を唯一の起源とせず、van Hove特異点およびフォノン状態密度が、観測されたT*クロスオーバーをどの程度まで説明できるか？

主な発見

• KFe₂As₂におけるvan Hove特異点は、負の化学的圧力下でフェルミ準位に近づき、EF近傍の状態密度が増大し、大きな Sommerfeld係数に寄与する。
• KFe₂As₂はCsFe₂As₂に比べてより強い三次元的性質を示す。特に3d_{z²}状態が、量子揺らぎ実験で観測された小さな穴型フェルミ表面ポケットの原因である。
• coherent スペクトル重みは温度上昇に伴い指数関数的に減少し、特徴的な温度T*が他の実験的報告値と一致する。
• 抵抗率における高エネルギークロスオーバーは、抵抗率の線形から二次関数的挙動への変化と関連していたが、フォノン状態密度の最初のピークのエネルギースケールと相関している。
• KFe₂As₂におけるs±ギャップ関数のノードラインに近いvan Hove特異点のmomentum位置は、Tcの圧力依存性の逆転を説明する妥当な根拠を提供する。
• 低エネルギーにおけるvan Hove特異点とピークを持つフォノン状態密度の併存は、強い電子相関を仮定せずとも、高温抵抗率クロスオーバーを説明可能である。