[논문 리뷰] Identification of prototypical Brinkman-Rice Mott physics in a class of iron chalcogenides superconductors

X. H. Niu, S. D. Chen외 18명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 12.

Iron-based superconductors research인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 122*-계 페라이드 chalcogenide에서 등가 도핑에 의해 밴드폭이 감소함에 따라, 변하지 않는 피에르 표면을 유지하면서도 금속에서 초전도체로, 다시 Mott 절연체로의 전이를 압축형 광전자분광법(ARPES)을 통해 입증한다. 결과는 프로토타입 Brinkman-Rice Mott 물리학 영역을 규명하며, 구멍 포켓이 없는 이러한 시스템에서 중간 정도의 전자 상호작용이 초전도성을 강화함을 드러낸다.

ABSTRACT

The 122$^{*}$ series of iron-chalcogenide superconductors, for example K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$, only possesses electron Fermi pockets. Their distinctive electronic structure challenges the picture built upon iron pnictide superconductors, where both electron and hole Fermi pockets coexist. However, partly due to the intrinsic phase separation in this family of compounds, many aspects of their behavior remain elusive. In particular, the evolution of the 122$^{*}$ series of iron-chalcogenides with chemical substitution still lacks a microscopic and unified interpretation. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we studied a major fraction of 122$^{*}$ iron-chalcogenides, including the isovalently `doped' K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$, Rb$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$Te$_z$ and (Tl,K)$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$. We found that the bandwidths of the low energy Fe extit{3d} bands in these materials depend on doping; and more crucially, as the bandwidth decreases, the ground state evolves from a metal to a superconductor, and eventually to an insulator, yet the Fermi surface in the metallic phases is unaffected by the isovalent dopants. Moreover, the correlation-driven insulator found here with small band filling may be a novel insulating phase. Our study shows that almost all the known 122$^{*}$-series iron chalcogenides can be understood {\it via} one unifying phase diagram which implies that moderate correlation strength is beneficial for the superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 122*-계 철 페라이드에서 구멍 피에르 포켓이 없는 초전도성의 미해결된 미세 구조 기원을 규명하기 위해.
• 상태 분離 및 구멍 도핑 없이 전자 상호작용과 밴드폭 변화의 역할을 이해하기 위해.
• 다양한 122*-계 화합물의 전자적 거동을 하나의 상도도로 통합하기 위해.
• 관측된 절연 상태가 중간 정도의 상호작용에 의해 유도된 새로운 Mott 절연체인지 확인하기 위해.
• 상호작용이 강한 전자 시스템에서 밴드폭 감소와 초전도성 발생 간 직접적인 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• KxFe2−ySe2−zSz, RbxFe2−ySe2−zTez, 및 (Tl,K)xFe2−ySe2−zSz의 전자 구조를 조사하기 위해 압축형 광전자분광법(ARPES)을 사용하였다.
• 등가 도핑제(S, Te)의 체계적 변화를 통해 전자 수와 피에르 표면 기하학을 유지하면서도 밴드폭을 조절할 수 있었다.
• 도핑 시리즈 전반에서 Fe 3d 오비탈의 분산을 통해 밴드폭 변화를 추출하였다.
• 금속, 초전도체, 절연체 상태로의 기저 상태의 변화를 밴드폭의 함수로 매핑하였다.
• 절연 상태에서 피에르 수준에서 갭이 열리는지 여부를 확인하기 위해 Mott 물리학의 징후를 분석하였다.
• 모든 관측된 상을 연결하는 밴드폭과 도핑 농도를 기반으로 통합된 상도도를 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 등가 도핑은 122*-계 철 페라이드의 밴드폭과 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초전도성 및 절연성 거동의 변화에도 불구하고 등가 도핑 조건에서 피에르 표면은 일정하게 유지되는가?
• RQ3 관측된 절연 상태는 중간 정도의 전자 상호작용에 의해 유도된 Mott 절연체로 식별될 수 있는가?
• RQ4 이 물질들에서 금속-초전도체-절연체 전이를 설명할 수 있는 통합된 상도도가 존재하는가?
• RQ5 구멍 포켓이 없는 시스템에서 전자 상호작용 강도는 초전도성을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Fe 3d 오비탈의 밴드폭은 등가 도핑량 증가에 따라 체계적으로 감소하여 운동 에너지 감소를 나타낸다.
• 밴드폭 감소에도 불구하고 모든 도핑 수준에서 피에르 표면은 그대로 유지되어 전자 포켓 기하학의 강건성을 보여준다.
• 밴드폭이 감소함에 따라 기저 상태는 금속에서 초전도체로, 다시 절연체로 변화하며, 중간 정도의 상호작용 강도에서 초전도성이 나타난다.
• 저밴드 필링 조건에서의 절연 상태는 피에르 수준에서 갭이 열려 있어 Mott 물리학과 일치하며, 새로운 상호작용 유도 절연체임을 시사한다.
• 단일 통합 상도도가 122*-계에서 관측된 모든 상을 설명하며, 밴드폭이 핵심 조절 매개변수임을 입증한다.
• 결과는 중간 정도의 전자 상호작용—Brinkman-Rice Mott 물리학의 특징—이 이 철 페라이드에서 초전도성에 최적임을 보여준다.