[論文レビュー] Visualizing Orbital-selective Quasiparticle Interference in the Hund's Metal State of FeSe

Andrey Kostin, Peter O. Sprau+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2018

Iron-based superconductors research参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、FeSeのハンドス金属状態における軌道選択的準粒子干渉を運動量および軌道分解能をもった準粒子干渉（QPI）測定を用いて可視化した。α-、ε-、δバンドにおいて、準粒子スペクトル重みZ_xy < Z_xz ≪ Z_yzが明確に観測され、超伝導を媒介する軌道選択的強い電子相関の存在を示した。これは鉄系超伝導体の理解に一般化可能な意義を持つ。

ABSTRACT

High temperature superconductivity (HTS) in Cu-based materials is generated by strong electronic correlations due to proximity of the Mott insulator phase. By contrast, the undoped phase proximate to Fe-based HTS is never an insulator. But this striking distinction may be deceptive because, while only a single Cu d-orbital is active in the former compounds, up to five Fe d-orbitals are active in the latter. In theory, such orbital multiplicity allows an unusual new state, referred to as an orbital-selective Hund's metal, to appear. In this state, strong Hund's coupling aligns the Fe spins thereby suppressing the inter-orbital charge fluctuations. The result is orbital selectivity of correlations wherein electrons associated with some orbitals become strongly incoherent but coexist with coherent quasiparticles associated with other orbitals of the same atom. A distinguishing experimental signature would be that quasiparticle spectral weights $Z_m$ associated with each different orbital m would be highly distinct, effectively resulting in orbital selectivity of quasiparticles. To search for such effects associated with Fe-based HTS, we visualize quasiparticle interference resolved by orbital content in FeSe, and discover strong orbitally selective differences of quasiparticle $Z_m$ on all detectable bands. Measurement of QPI amplitudes on the \alpha-, \epsilon- and \delta-bands of FeSe reveals that $Z_{xy}<Z_{xz}<<Z_{yz}$ for a wide energy range and throughout k-space. Moreover, the magnitudes and ratios of these quasiparticle weights are consistent with those deduced independently from the properties of orbital-selective Cooper pairing. All these data indicate that orbital-selective strong correlations dominate the Hund's metal state underpinning superconductivity in FeSe, a situation that would be of broad fundamental significance if true for Fe-based superconductors in general.

研究の動機と目的

• FeSeのハンドス金属状態に、軌道選択的準粒子が存在するかを調査すること。これは鉄系高臨界温度超伝導体を理解する上で鍵となる候補である。
• 強い電子相関がFeのd軌道ごとに異なる形で現れ、各軌道mに対して異なる準粒子スペクトル重みZ_mをもたらすかを特定すること。
• FeSeのハンドス金属状態において、軌道選択的強い相関が顕著な特徴であるという実験的証拠を確立すること。
• 独立して導かれた軌道選択的コープァー対形成と照らし合わせ、軌道選択的準粒子重みを関連づけることにより、ハンドス金属性の理論的枠組みを強化すること。

提案手法

• FeSeにおける準粒子状態の運動量空間分布をマップするために、運動量分解能をもった準粒子干渉（QPI）分光法を用いる。
• α-、ε-、δバンドにおけるQPI振幅を解像し、軌道別準粒子スペクトル重みZ_mを抽出する。
• 空間的および運動量依存性をもったQPIパターンの解析により、異なるFeのd軌道（xy、xz、yz）からの寄与を分離する。
• 測定されたZ_m値を各軌道間で比較し、軌道選択的ハンドス金属行動の予測と照合する。
• 観測されたZ_m比が、独立して導かれた軌道選択的コープァー対形成から得られる比と整合的であることを確認し、結果の妥当性を検証する。
• Z_mのエネルギーおよびk空間依存性をマッピングすることで、フェルミ面全域における軌道選択的性の頑健さを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeのハンドス金属状態において、異なるFeのd軌道間で準粒子スペクトル重みZ_mに顕著な差が見られるか？
• RQ2 一部の軌道に無秩序な電子が存在する一方で、他の軌道では秩序ある準粒子が形成されるという、軌道選択的強い相関の実験的証拠はあるか？
• RQ3 測定されたα-、ε-、δバンドにおけるZ_m値は、軌道選択的コープァー対形成理論からの予測と整合するか？
• RQ4 準粒子干渉パターンを軌道成分ごとに分解することで、各軌道ごとの相関効果を明確に可視化できるか？
• RQ5 FeSeにおいて観測されたZ_mの軌道選択的性は、エネルギーおよび運動量空間全域で一貫しているか？

主な発見

• 準粒子スペクトル重みZ_mは強く軌道選択的であり、FeSeのα-、ε-、δバンドにおいてZ_xy < Z_xz ≪ Z_yzが成立する。
• Z_mの軌道選択的性は広いエネルギー範囲および全k空間にわたり観測され、この効果の頑健さを示している。
• 測定されたZ_m比は、独立して導かれた軌道選択的コープァー対形成理論からの比と定量的に整合している。
• 結果は、FeSeのハンドス金属状態において、軌道選択的強い相関が支配的であり、従来のモット的挙動とは明確に異なることを確認した。
• 観測された準粒子干渉パターンは、軌道成分ごとに分解可能であり、軌道選択的相関の直接的な実験的可視化を達成した。
• これらの発見は、軌道選択的相関が鉄系超伝導を媒介するハンドス金属状態の一般的特徴である可能性を示唆している。