[논문 리뷰] Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy of Iron-Chalcogenide Superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 : Strong-Coupling Superconductivity and Universality of Inter-Band Scattering

K. Nakayama, T. Sato외 9명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 04.

Iron-based superconductors research참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)을 사용하여 철- chalcogenide 초전도체 Fe1.03Te0.7Se0.3 (Tc = 13 K)의 전자 구조를 조사한다. Γ 점에서 구멍성 Fermi 표면과 M 점에서 전자성 Fermi 표면이 확인되었으며, 이는 Q ~ (π, π)에 의해 거의 네스팅되어 있다. 초전도 격렬은 Δ ~ 4 meV의 등방성이며, 강한 결합 비율 2Δ/kBTc ~ 7로 나타나, Q ~ (π, π)를 통한 스핀 불안정성에 의한 상호작용이 초전도성을 이끄는 것으로 나타나며, 이는 철 기반 초전도체 전반에 걸쳐 보편성을 띤다.

ABSTRACT

We have performed high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy of iron-chalcogenide superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 (Tc = 13 K) to investigate the electronic structure relevant to superconductivity. We observed a hole- and an electron-like Fermi surfaces at the Brillouin zone center and corner, respectively, which are nearly nested by the Q~(pi, pi) wave vector. We do not find evidence for the nesting instability with Q~(pi+delta, 0) reminiscent of the antiferromagnetic order in the parent compound Fe1+yTe. We have observed an isotropic superconducting gap along the hole-like Fermi surface with the gap size Delta of ~4 meV (2Delta/kBTc~7), demonstrating the strong-coupling nature of the superconductivity. The observed similarity of low-energy electronic excitations between iron-chalcogenide and iron-arsenide superconductors strongly suggests that common interactions which involve Q~(pi, pi) scattering are responsible for the superconducting pairing.

연구 동기 및 목표

• 철- chalcogenide 초전도체 Fe1+yTe1−xSex에서 Fermi 표면 기하학의 논란을 해결하기 위해.
• 중성자 산란에서 관측된 Q ~ (π+δ, 0) 또는 Q ~ (π, π)와 관련된 스핀 불안정성이 초전도성 쌍성 메커니즘에서 우세한지 확인하기 위해.
• 철 기반 초전도체에서 Q ~ (π, π)를 통한 간대 산란의 보편성을 조사하기 위해, 특히 11(FeTeSe)과 122(BaFe2As2) 시스템을 비교하기 위해.
• 과잉 철과 수은 도핑이 전자 구조와 초전도성 특성에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• KEK-PF에서 44 및 100 eV 광자를, Tohoku University에서 He Iα (21.218 eV)를 사용하여 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES) 측정을 수행하였다.
• 초고진공 조건(1×10−10 Torr 이하)에서 현장에서 갈라지는 방식으로 깨끗한 표면을 확보하였다.
• 에너지 해상도는 초전도 격렬 측정에 1.7 meV, 밴드 분산 측정에 12 meV, 코어 레벨 측정에 35 meV로 설정하였으며, 각도 해상도는 0.2°였다.
• 화학 조성과 표면 안정성을 확인하기 위해 코어 레벨 스펙트럼을 분석하였으며, 산화 상태를 확인하기 위해 Se 3d 및 Te 4d 수준을 분석하였다.
• 기준 Fermi 수준은 기판에 증착된 금 필름을 기준으로 하였다.
• 저에너지 전자 회절(LEED)을 통해 80 K까지도 복잡한 표면 재구성 없이 깨끗한 1×1 표면 구조를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe1.03Te0.7Se0.3의 Fermi 표면이 Q ~ (π, π)를 통해 네스팅되어 있으며, 철 기반 초전도체의 간대 산란과 일치하는가?
• RQ2 초전도 격렬이 등방성이며, 강한 결합 행동을 나타내기에 충분히 큰가?
• RQ3 중성자 산란에서 관측된 Q ~ (π+δ, 0)와 관련된 스핀 불안정성이 이 물질의 초전도성 쌍성에 기여하는가?
• RQ4 Fe1.03Te0.7Se0.3의 전자 구조는 BaFe2As2와 같은 최적 도핑 122 초전도체와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 과잉 철과 수은 도핑이 특정 스핀 불안정성 채널을 억제하거나 강화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Fe1.03Te0.7Se0.3의 Fermi 표면은 Γ 점에서의 구멍성 풍선과 M 점에서의 전자성 풍선으로 구성되어 있으며, Q ~ (π, π)에 의해 거의 완벽한 네스팅을 보인다.
• 이전 ARPES 결과에서 보고된 X 점에서의 표면 재구성 또는 추가 풍선에 대한 증거는 발견되지 않았다.
• 구멍성 Fermi 표면에서 등방성 초전도 격렬 Δ ~ 4 meV가 관측되었으며, 2Δ/kBTc 비율이 약 7로 나타나 강한 결합 초전도성을 확인하였다.
• Q ~ (π+δ, 0)에 의한 네스팅의 부재와 이에 해당하는 Fermi 표면 특징의 부재는 Q ~ (π+δ, 0) 스핀 불안정성이 직접적으로 쌍성에 기여하지 않는다는 것을 시사한다.
• 관측된 전자 구조와 초전도 격렬은 최적 도핑 122 초전도체와 정량적으로 유사하며, Q ~ (π, π) 스핀 불안정성에 의해 매개되는 보편적인 쌍성 메커니즘을 나타낸다.
• Tc 이하에서 Q ~ (π, π) 근처에서 관측된 중성자 산란 데이터는 ARPES 결과와 일치하며, 쌍성 상호작용의 자기 기원을 지지한다.