[논문 리뷰] Orbital selective correlations between nesting/scattering/Lifshitz transition and the superconductivity in AFe1-xCoxAs (A=Li, Na)

Z. R. Ye, Y. Zhang외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 04.

Iron-based superconductors research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도 분석 광전자 분광법(ARPES)을 사용하여 리튬 및 나트륨 철기반 초전도체 AFe₁₋ₓCoₓAs(A=Li, Na)에서 초전도성의 궤도 선택성에 대해 규명한다: 초전도성은 오직 $d_{xz}$/$d_{yz}$ 전자기준 표면 포켓 간의 나란히 배열(내성)에 의해 향상되며, $d_{xy}$ 궤도를 포함한 나란히 배열에는 영향을 주지 않는다. $d_{xz}$/$d_{yz}$ 궤도가 전자 포켓으로의 리프시츠 전이를 겪으면 초전도성이 소멸하고, $d_{xz}$/$d_{yz}$ 밴드는 Co 도핑에 의한 산란에 매우 강건함을 보이며, 이는 물질이 도핑에 대해 매우 높은 내성을 가지는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

The correlations between the superconductivity in iron pnictides and their electronic structures are elusive and controversial so far. Here through angle-resolved photoemission spectroscopy measurements, we show that such correlations are rather distinct in AFe$_{1-x}$Co$_x$As (A=Li, Na), but only after one realizes that they are orbital selective. We found that the superconductivity is enhanced by the Fermi surface nesting, but only when it is between $d_{xz}/d_{yz}$ Fermi surfaces, while for the $d_{xy}$ orbital, even nearly perfect Fermi surface nesting could not induce superconductivity. Moreover, the superconductivity is completely suppressed just when the $d_{xz}/d_{yz}$ hole pockets sink below Fermi energy and evolve into an electron pocket. Our results thus establish the orbital selective relation between the Fermiology and the superconductivity in iron-based superconductors, and substantiate the critical role of the $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals. Furthermore, around the zone center, we found that the $d_{xz}/d_{yz}$-based bands are much less sensitive to impurity scattering than the $d_{xy}$-based band, which explains the robust superconductivity against heavy doping in iron-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 철계 초전도체의 초전도성에서 피어미 표면 위상의 역할에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 다른 궤도가 초전도성 쌍성의 매개 역할을 어떻게 다르게 수행하는지, 특히 내성, 리프시츠 전이 및 불순물 산란과의 관계에서 확인하기 위해.
• 강한 불순물 혼합에도 불구하고 초전도성이 높은 내성을 가지는 이유를 궤도 특이적 전자 반응을 분석함으로써 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 고품질 리튬철계 및 나트륨철계 도핑 단일 결정에서 고에너지 및 고운동량 해상도를 갖춘 각도 분석 광전자 분광법(ARPES)을 수행함.
• 측정된 스펙트럼 강도도 맵에서 궤도 성질 식별을 향상시키기 위해 혼합 및 선형 편광을 사용함.
• 다양한 조성(예: LC17, NC4.5, NC32)에서의 체계적 도핑 진화 연구를 통해 피어미 표면 변화와 초전도 갭 진화를 추적함.
• 스펙트럼 폭(전고도 절반 너비, FWHM) 분석을 통해 궤도별 불순물 산란 영향을 정량화함.
• 자기공명분광(NMR)의 스핀 라이프타임 상쇄율을 비교하여 자화 영동과 쌍성 대칭성을 평가함.
• ARPES 데이터로부터 재구성된 밴드 구조를 바탕으로 궤도 특이적 피어미 표면 내성 및 리프시츠 전이를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철계 반탄소화합물에서 피어미 표면 내성이 초전도성을 항상 향상시키는가, 아니면 궤도에 따라 달라지는가?
• RQ2 $d_{xz}$/$d_{yz}$ 구멍 포켓이 전자 포켓으로의 리프시츠 전이를 겪을 경우 초전도성은 어떻게 되는가?
• RQ3 강한 불순물 혼합에도 불구하고 AFe₁₋ₓCoₓAs에서 초전도성이 높은 내성을 가지는 이유는 무엇인가?
• RQ4 $d_{xy}$, $d_{xz}$, $d_{yz}$ 궤도가 불순물 산란에 어떻게 반응하는가? 이는 관측된 도핑 내성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 철계 반탄소화합물의 초전도성 쌍성 메커니즘은 KₓFe₂₋ySe₂와 같은 철계 chalcogenide와 본질적으로 다를까?

주요 결과

• 초전도성은 오직 $d_{xz}$와 $d_{yz}$ 피어미 표면 포켓 간의 완벽한 내성이 발생할 때 최대로 향상되며, 이는 NaFe₁₋ₓCoₓAs에서 $T_C$ ~ 18 K로 관측됨.
• LiFe₀.₈₃Co₀.₁₇As에서 $d_{xy}$ 피어미 포켓 간의 완벽한 내성에도 불구하고 초전도성이 유도되지 않아 궤도 선택성이 명백히 드러남.
• $d_{xz}$/$d_{yz}$ 구멍 포켓이 피어미 에너지 이하로 내려가 전자 포켓으로 진화하면 초전도성이 완전히 억제되며, 이는 리프시츠 전이가 초전도성 제어의 핵심 요소임을 시사함.
• $d_{xz}$/$d_{yz}$ 기반 밴드는 Co 도핑에 의해 거의 폭이 넓어지지 않아 불순물 산란에 매우 강건함을 보이며, 이는 $d_{xy}$ 기반 $\gamma$ 밴드와는 대조적임.
• $d_{xy}$ 밴드는 도핑에 따라 폭이 급격히 증가하는 반면, $\alpha$ 및 $\beta$ 밴드(=$d_{xz}$/$d_{yz}$에서 유래)는 거의 변화가 없어 궤도 선택성 산란 영향을 확인함.
• LC9에서 Tc < 5 K임에도 불구하고 작은 $\kappa$ 포켓이 나타나자 잔류 쌍성이 존재함을 시사하지만, $\kappa$ 포켓의 크기 증가는 초전도성을 향상시키지 못함.