[論文レビュー] Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy of Iron-Chalcogenide Superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 : Strong-Coupling Superconductivity and Universality of Inter-Band Scattering

K. Nakayama, T. Sato+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、高温超伝導体である鉄 chalcogenide 超伝導体 Fe1.03Te0.7Se0.3（Tc = 13 K）の電子的構造を、高分解能の角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて調査した。Γ点に穴型のフェルミ表面と、M点に電子型のフェルミ表面が存在し、Q ~ (π, π) によってほぼ完全にネストされていることが明らかになった。超伝導ギャップは等方的で Δ ~ 4 meV であり、強結合比 2Δ/kBTc ~ 7 であるため、Q ~ (π, π) に起因するスピンフラクチュエーションを介した帯間散乱が超伝導を駆動していることが示唆され、鉄系超伝導体全体にわたる普遍性が示唆される。

ABSTRACT

We have performed high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy of iron-chalcogenide superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 (Tc = 13 K) to investigate the electronic structure relevant to superconductivity. We observed a hole- and an electron-like Fermi surfaces at the Brillouin zone center and corner, respectively, which are nearly nested by the Q~(pi, pi) wave vector. We do not find evidence for the nesting instability with Q~(pi+delta, 0) reminiscent of the antiferromagnetic order in the parent compound Fe1+yTe. We have observed an isotropic superconducting gap along the hole-like Fermi surface with the gap size Delta of ~4 meV (2Delta/kBTc~7), demonstrating the strong-coupling nature of the superconductivity. The observed similarity of low-energy electronic excitations between iron-chalcogenide and iron-arsenide superconductors strongly suggests that common interactions which involve Q~(pi, pi) scattering are responsible for the superconducting pairing.

研究の動機と目的

• 鉄・ chalcogenide 超伝導体 Fe1+yTe1−xSex におけるフェルミ表面トポロジーに関する論争を解消すること。
• 中性子散乱で観測された Q ~ (π+δ, 0) または Q ~ (π, π) に関連するスピンフラクチュエーションのどちらが超伝導ペアリング機構を支配するかを特定すること。
• 鉄系超伝導体において Q ~ (π, π) を介した帯間散乱の普遍性を検証すること、特に 11 系（FeTeSe）と 122 系（BaFe2As2）の比較を含むこと。
• 過剰な Fe や Se のドーピングが電子的構造および超伝導特性に与える影響を明確にすること。

提案手法

• KEK-PF と東北大学の He Iα（21.218 eV）を用いて、44 eV および 100 eV の光子を用いた高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• 超高真空（1×10−10 Torr 未満）条件下で、イン・スィットクレービングを用いて清浄な表面を確保した。
• エネルギー分解能は、超伝導ギャップの測定に 1.7 meV、価電子帯分散に 12 meV、コアレベルに 35 meV と設定し、角度分解能は 0.2° であった。
• コアレベルスペクトルを用いて化学組成と表面安定性を確認した。酸化状態の分析には、Se 3d および Te 4d 水準を用いた。
• 基準フェルミ準位は、基板上に蒸着された金膜を用いて定義した。
• 低エネルギー電子回折（LEED）により、80 K まで再構成のない明確な 1×1 表面構造が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe1.03Te0.7Se0.3 のフェルミ表面は、Q ~ (π, π) を介したネストを示しており、鉄系超伝導体における帯間散乱と整合的か？
• RQ2 超伝導ギャップは等方的で、かつ十分に大きく、強結合行動を示すか？
• RQ3 中性子散乱で観測された Q ~ (π+δ, 0) に関連するスピンフラクチュエーションは、この材料の超伝導ペアリングに寄与しているか？
• RQ4 Fe1.03Te0.7Se0.3 の電子的構造は、BaFe2As2 などの最適ドーピング 122 超伝導体と比較してどのように異なるか？
• RQ5 過剰な Fe および Se のドーピングが、特定のスピンフラクチュエーションチャネルを抑制または強化する役割を果たすか？

主な発見

• Fe1.03Te0.7Se0.3 のフェルミ表面は、Γ点に穴型のパッチと、M点に電子型のパッチから構成されており、Q ~ (π, π) を介したほぼ完全なネストを示している。
• X点に新たなパッチやフェルミ表面再構成の痕跡は観測されず、Fe1+yTe に関する以前のARPES結果とは矛盾する。
• 穴型フェルミ表面では等方的超伝導ギャップ Δ ~ 4 meV が観測され、2Δ/kBTc の比が約 7 に達しており、強結合超伝導の確認が得られた。
• Q ~ (π+δ, 0) を介したネストの欠如と、それに相当するフェルミ表面特徴の不在から、Q ~ (π+δ, 0) スピンフラクチュエーションはペアリングに直接関与していないと示唆された。
• 観測された電子的構造および超伝導ギャップは、最適ドーピング 122 超伝導体と定量的に類似しており、Q ~ (π, π) スピンフラクチュエーションを介した普遍的なペアリング機構が存在することが示唆された。
• Tc よりも高い温度で Q ~ (π, π) 近傍にスピンフラクチュエーションが観測された中性子散乱データは、ARPESの観測結果と整合しており、ペアリング相互作用の磁気的起源を支持する。