[논문 리뷰] Tuning across the BCS-BEC crossover in the multiband superconductor Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ : An angle-resolved photoemission study

Shahar Rinott, K.B. Chashka A. Ribak외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 16.

Iron-based superconductors research참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 화학 doping를 통해 다밴대 초전도체 Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$에서 페르미 에너지를 조절하고, 실험적으로 BCS-BEC 전이에 접근하기 위해 각도 분 giải 광전자 방사 분석(ARPES)을 사용한다. Δ/ε_F가 0.16에서 0.5로 증가함에 따라 BCS에서 BEC로의 연속적인 진화가 관찰되었으며, 이는 단일 밴드 모델을 초월하는 전자 구조 및 쌍성 대칭의 변화를 드러낸다.

ABSTRACT

The crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductivity to Bose-Einstein condensation (BEC) is difficult to realize in quantum materials because, unlike in ultracold atoms, one cannot tune the pairing interaction. We realize the BCS-BEC crossover in a nearly compensated semimetal Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ by tuning the Fermi energy, $ε_F$, via chemical doping, which permits us to systematically change $Δ/ ε_F$ from 0.16 to 0.5 were $Δ$ is the superconducting (SC) gap. We use angle-resolved photoemission spectroscopy to measure the Fermi energy, the SC gap and characteristic changes in the SC state electronic dispersion as the system evolves from a BCS to a BEC regime. Our results raise important questions about the crossover in multiband superconductors which go beyond those addressed in the context of cold atoms.

연구 동기 및 목표

• 상호작용 강도를 조절할 수 없는 다밴대 초전도체에서 실험적으로 BCS-BEC 전이에 접근하는 것.
• 시스템이 BCS에서 BEC 영역으로 넘어갈 때 전자 구조와 초전도 갭이 어떻게 변화하는지 조사하는 것.
• 다양한 밴드와 페르미 표면 기하학이 전이 역학에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 다밴대 효과가 초냉각 원자 시스템에서 관찰된 보편적 전이 행동을 어떻게 수정하는지 테스트하는 것.
• 전이 전역에서 Δ/ε_F, 갭 이방성, 분산 재정규화에 대한 정량적 ARPES 측정을 제공하는 것.

제안 방법

• Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$의 화학 doping를 통해 페르미 에너지(ε_F)를 체계적으로 조절하고 Δ/ε_F 비율을 제어하는 것.
• 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)을 통해 직접 전자 밴드 구조, 초전도 갭(Δ), 페르미 표면 기하학을 측정하는 것.
• 쌍성 전이의 징후를 식별하기 위해 스펙트럼 무게 재분포와 분산 재정규화 분석을 수행하는 것.
• 여러 도핑 수준에서 측정된 Δ와 ε_F를 비교하여 BCS에서 BEC 유사 쌍성으로의 진화를 맵핑하는 것.
• 다밴대 피팅을 사용하여 갭 매개변수와 페르미 표면 공명 효과를 추출하는 것.
• BCS-BEC 전이의 다밴대 시스템 이론 모델과 ARPES 데이터의 상관관계 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경쟁적인 전자 불안정성이 존재하는 다밴대 초전도체에서 BCS-BEC 전이는 어떻게 나타나는가?
• RQ2 밴드 degeneracy와 페르미 표면 기하학은 보편적 전이 행동에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 Δ/ε_F가 0.16에서 0.5로 증가함에 따라 전자 분산과 스펙트럼 무게에 어떤 변화가 생기는가?
• RQ4 다밴대 시스템에서 전이 영역을 넘어서 갭 이방성이 어떻게 변화하는가?
• RQ5 상호작용 강도를 조절할 수 없는 양자 물질에서 BCS-BEC 전이를 실험적으로 접근할 수 있는가?

주요 결과

• 화학 도핑를 통해 Δ/ε_F를 0.16에서 0.5로 조절함으로써 BCS-BEC 전이 영역을 제어 가능한 스윕이 가능해졌다.
• ARPES는 초전도 갭과 스펙트럼 무게의 연속적인 진화를 밝혀냈으며, 쌍성 강도가 증가하고 비탄성 피크 브로드닝이 감소함에 따라 BEC 영역으로의 경향을 보였다.
• 전자 분산은 상당한 재정규화와 밴드 이동을 보였으며, 이는 전이 영역에서 강한 결합 효과를 시사한다.
• 다밴대 성격은 비보편적 행동을 유도하였으며, 밴드에 따라 다른 갭 진화와 페르미 표면 재구성 현상이 관찰되었다.
• 측정된 데이터는 단일 밴드 BCS-BEC 이론에서의 명백한 이탈을 보였으며, 이는 다밴대 효과가 전이 물리학을 지배함을 시사한다.
• 약한 결합 BCS에서 강한 결합 BEC 유사 쌍성으로의 전이가 관찰되었으며, 단일 상전이의 증거는 없었고, 매끄러운 진화와 일치하였다.