[논문 리뷰] Visualizing Orbital-selective Quasiparticle Interference in the Hund's Metal State of FeSe

Andrey Kostin, Peter O. Sprau외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 06.

Iron-based superconductors research참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 운동량 및 오비탈 해상도를 가진 준입자 간섭(QPI) 측정을 통해 페르세늄(FeSe)의 헌드 금속 상태에서 오비탈 선택적 준입자 간섭을 시각화한다. α-, ε-, δ-밴드 전역에서 Z_xy < Z_xz ≪ Z_yz의 구분되는 준입자 스펙트럼 가중치를 규명하며, 초전도성의 기초가 되는 오비탈 선택적 강한 상호작용을 입증한다. 이는 일반적으로 철기반 초전도체를 이해하는 데 중요한 함의를 지닌다.

ABSTRACT

High temperature superconductivity (HTS) in Cu-based materials is generated by strong electronic correlations due to proximity of the Mott insulator phase. By contrast, the undoped phase proximate to Fe-based HTS is never an insulator. But this striking distinction may be deceptive because, while only a single Cu d-orbital is active in the former compounds, up to five Fe d-orbitals are active in the latter. In theory, such orbital multiplicity allows an unusual new state, referred to as an orbital-selective Hund's metal, to appear. In this state, strong Hund's coupling aligns the Fe spins thereby suppressing the inter-orbital charge fluctuations. The result is orbital selectivity of correlations wherein electrons associated with some orbitals become strongly incoherent but coexist with coherent quasiparticles associated with other orbitals of the same atom. A distinguishing experimental signature would be that quasiparticle spectral weights $Z_m$ associated with each different orbital m would be highly distinct, effectively resulting in orbital selectivity of quasiparticles. To search for such effects associated with Fe-based HTS, we visualize quasiparticle interference resolved by orbital content in FeSe, and discover strong orbitally selective differences of quasiparticle $Z_m$ on all detectable bands. Measurement of QPI amplitudes on the \alpha-, \epsilon- and \delta-bands of FeSe reveals that $Z_{xy}<Z_{xz}<<Z_{yz}$ for a wide energy range and throughout k-space. Moreover, the magnitudes and ratios of these quasiparticle weights are consistent with those deduced independently from the properties of orbital-selective Cooper pairing. All these data indicate that orbital-selective strong correlations dominate the Hund's metal state underpinning superconductivity in FeSe, a situation that would be of broad fundamental significance if true for Fe-based superconductors in general.

연구 동기 및 목표

• 철기반 고온 초전도체를 이해하는 데 핵심적인 후보로 여겨지는 FeSe의 헌드 금속 상태에서 오비탈 선택적 준입자가 존재하는지 조사하기 위해.
• 강한 전자 상호작용이 철의 d-오비탈들 사이에서 다르게 나타나, 각 오비탈 m에 대해 별개의 준입자 스펙트럼 가중치 Z_m를 형성하는지 규명하기 위해.
• FeSe의 헌드 금속 상태에서 오비탈 선택적 강한 상호작용이 특징적인 특성임을 실험적으로 입증하기 위해.
• 독립적으로 유도된 오비탈 선택적 코플러 쌍성화와 연관된 오비탈 선택적 준입자 가중치를 연결함으로써, 헌드 금속성의 이론적 프레임워크를 강화하기 위해.

제안 방법

• FeSe의 준입자 상태의 운동량 공간 분포를 맵핑하기 위해 운동량 해상도를 가진 준입자 간섭(QPI) 분광법을 적용하였다.
• α-, ε-, δ-밴드에서 QPI 진폭을 해상하여 오비탈 특화 준입자 스펙트럼 가중치 Z_m를 추출하였다.
• 다양한 철의 d-오비탈(xy, xz, yz) 기여를 분리하기 위해 QPI 패tern의 공간적 및 운동량 의존성을 분석하였다.
• 각 오비탈 간 측정된 Z_m 값의 비교를 통해 오비탈 선택적 헌드 금속 행동 예측을 검증하였다.
• 관측된 Z_m 비율이 오비탈 선택적 코플러 쌍성화에서 독립적으로 유도된 값과 일치함을 이용하여 결과의 상호검증을 수행하였다.
• Z_m의 에너지 및 k-공간 의존성을 맵핑하여, 패러미터의 오비탈 선택성이 피어미 표면 전역에서 견고함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe의 헌드 금속 상태에서 철의 d-오비탈들 간에 준입자 스펙트럼 가중치 Z_m가 유의미하게 다를까?
• RQ2 일부 오비탈에서는 비결정성 전자가 존재하고 다른 오비탈에서는 결정성 준입자가 지배하는 오비탈 선택적 강한 상호작용에 대한 실험적 증거가 존재하는가?
• RQ3 측정된 Z_m 값이 오비탈 선택적 코플러 쌍성화 이론에서 예측한 바와 일치하는가?
• RQ4 준입자 간섭 패턴이 오비탈 성분에 따라 해상될 수 있으며, 각 오비탈에 대해 별개의 상호작용 효과를 드러내는가?
• RQ5 FeSe에서 관측된 Z_m의 오비탈 선택성이 에너지 및 운동량 공간 전역에서 일관된가?

주요 결과

• 준입자 스펙트럼 가중치 Z_m는 강한 오비탈 선택성을 보이며, FeSe의 α-, ε-, δ-밴드 전역에서 Z_xy < Z_xz ≪ Z_yz의 경향을 보였다.
• 이러한 오비탈 선택적 Z_m 값은 넓은 에너지 범위와 전체 k-공간에서 관측되어 효과의 견고함을 시사한다.
• 측정된 Z_m 비율은 독립적으로 유도된 오비탈 선택적 코플러 쌍성화 이론에서 유도된 값과 정량적으로 일치한다.
• 결과적으로 오비탈 선택적 강한 상호작용이 FeSe의 헌드 금속 상태를 지배함을 확인하였으며, 이는 전통적인 모트-유사 행동과의 차이를 보인다.
• 관측된 준입자 간섭 패턴은 오비탈 성분에 따라 분리되어, 오비탈 선택적 상호작용의 직접적인 실험적 시각화를 제공한다.
• 이러한 발견들은 오비탈 선택적 상호작용이 철기반 초전도성의 기초가 되는 헌드 금속 상태의 일반적 특성일 수 있음을 시사한다.