[논문 리뷰] Direct observation of dispersive lower Hubbard band in iron-based superconductor FeSe

D. V. Evtushinsky, Markus Aichhorn외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 07.

Iron-based superconductors research참고 문헌 20인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 철기 초전도체 FeSe에서 분산하는 하위 허버드 준대역(LHB)을 직접 관측하기 위해 역방향 분광법(ARPES)과 동적 평균장 이론(DMFT)을 결합한다. 결과는 3d 준대역 전반에 걸쳐 강한 전자 상호작용을 보여주며, 명확한 스펙트럼 무게 분리가 관찰되는데, 이는 응집된 페르미 액체 유사 상태와 잘 정의된, 분산하는 LHB로 나뉘어 있다. 이는 FeSe의 초전도 행동에 핵심적인 중간 강도의 상호작용을 입증한다.

ABSTRACT

Electronic correlations were long suggested not only to be responsible for the complexity of many novel materials, but also to form essential prerequisites for their intriguing properties. Electronic behavior of iron-based superconductors is far from conventional, while the reason for that is not yet understood. Here we present a combined study of the electronic spectrum in the iron-based superconductor FeSe by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and dynamical mean field theory (DMFT). Both methods in unison reveal strong deviations of the spectrum from single-electron approximation for the whole 3$d$ band of iron: not only the well separated coherent and incoherent parts of the spectral weight are observed, but also a noticeable dispersion of the lower Hubbard band (LHB) is clearly present. This way we demonstrate correlations of the most puzzling intermediate coupling strength in iron superconductors.

연구 동기 및 목표

• 기존의 밴드 이론이 실패하는 철기 초전도체(예: FeSe)에서 전자 상호작용의 본질을 규명하기 위해.
• FeSe에서 관측된 스펙트럼 재정렬이 강한 전자-전자 상호작용 때문인지, 또는 다른 효과 때문인지 규명하기 위해.
• 실험적 및 이론적 방법을 융합하여 FeSe에서 하위 허버드 준대역(LHB)의 존재성과 분산을 확립하기 위해.
• 커퍼르트와 모트 절연체와 대비하여 철기 초전도체에서 중간 결합 강도의 역할을 명확히 하기 위해.
• 비상호작용 준대역에서의 화이브리드화 갭이 허버드 준대역의 형성과 탐지 가능성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 고대칭 방향을 따라 운동량 공간에서 FeSe의 전자 구조를 측정하기 위해 역방향 분광법(ARPES)을 사용하였다.
• 실제 매개변수를 갖는 허버드 모델에서 유도된 자기에너지와 함께 동적 평균장 이론(DMFT) 계산을 수행하였다.
• 스펙트럼 함수 재구성의 정밀도를 확보하기 위해, 인공 그린 함수와 재스케일링된 자기에너지의 두 방법을 사용하여 자기에너지의 해석적 계속성을 적용하였다.
• 자기에너지와 이중 카운팅 보정을 포함하여, 디슨 방정식을 통해 스펙트럼 함수를 계산하였다.
• 비상호작용 준대역의 구조가 허버드 준대역 분리에 어떻게 기여하는지 분석적으로 보여주기 위해, 화이브리드화 갭이 있는 이오르비탈 모델을 사용하였다.
• 밴드 구조 기여와 상호작용 효과를 분리하기 위해, ARPES 데이터, DMFT 결과, LDA 계산 간의 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe의 하위 허버드 준대역(LHB)은 측정 가능한 분산을 보이며, 이는 단일 입자 행동을 초월한 강한 상호작용을 나타내는가?
• RQ2 FeSe에서 관측된 스펙트럼 특징이 전자-전자 상호작용으로 인해 국소 밀도 근사(LDA) 예측에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ3 비상호작용 준대역의 화이브리드화 갭은 허버드 준대역의 형성과 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FeSe에서 중간 강도의 상호작용이 잘 정의된 LHB를 생성하기에 충분한가? 이는 커퍼르트나 모트 절연체와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 DMFT 계산이 ARPES에서 관측된 전체 스펙트럼 구조, 즉 응집된 준대역과 LHB를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• ARPES 측정 결과, FeSe에서 명확하고 분산하는 하위 허버드 준대역(LHB)이 관측되었으며, 에너지 분산이 3d 준대역의 구조와 일치하여 강한 상호작용을 확인한다.
• 3d 준대역의 스펙트럼 무게는 페르미 수준 근처의 응집된 페르미 액체 유사 준대역과 낮은 비잉력 에너지에서 분리된 명확한, 약간의 분산을 보이는 LHB로 나뉘어 있다.
• DMFT 계산은 ARPES 데이터를 높은 정확도로 재현하며, LHB의 분산과 응집된 부분과 비응집된 부분 사이의 스펙트럼 무게 감소를 모두 포함한다.
• LHB는 비상호작용 밀도 상태에서 가짜 갭이 있는 오비탈에서 가장 뚜렷하게 관측되며, 이는 허버드 준대역 분리가 강화됨을 의미한다.
• DMFT에서 유도된 자기에너지는 강한 에너지 및 운동량 의존성을 보이며, 약한 결합 근사 이론을 초월한 비정상적인 many-body 효과를 확인한다.
• ARPES와 DMFT 간의 일치는 여러 고대칭 방향에서 지속되며, 이는 이론적 프레임워크와 실험 데이터의 타당성을 검증한다.