[论文解读] Anomalous two peak structure in the Angle-resolved Photoemission Spectra of Ba1-xKxFe2As2

T. Shimojima, Walid Malaeb+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2012

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究利用超高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）研究了Ba1-xKxFe2As2（x = 0.2–0.7）的电子结构。在Tc以下的谱图中识别出两个显著峰：一个位于5 meV结合能处的超导相干峰，与超导能隙相关；另一个位于13 meV处的高能峰在约90 K以下出现，且无能隙形成，归因于约8 meV能量的集体激发模式耦合，表明该第二特征具有非超导起源。

ABSTRACT

The electronic structure near the Fermi level (EF) of Ba1-xKxFe2As2 (BaK122 ; x = 0.2 - 0.7) is studied using laser ultrahigh-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES). For the optimally doped case of x = 0.4, we clearly observe two peaks below Tc in the ARPES spectra at a binding energies (BE) of 5 meV and 13meV. The former is assigned to a superconducting (SC) coherence peak since it appears and evolves below the bulk SC transition at Tc (= 36 K), accompanying a gap opening centered at EF. In contrast, the latter peak, which appears below ~ 90 K without any gap formation, is interpreted to be not directly related to a SC coherence peak. This high-BE peak is observed from x = 0.2 to 0.6, reduces in energy with overdoping (x > 0.4) and is absent for x = 0.7. The temperature(T)- and doping-dependent ARPES results suggest that the high-BE peak originates from coupling to a bosonic mode of energy ~ 8 meV.

研究动机与目标

• 研究Ba1-xKxFe2As2在费米能级附近的电子结构，覆盖一系列钾掺杂浓度。
• 解析ARPES谱图中在Tc以下观测到的异常双峰结构的起源。
• 确定较高结合能峰是否与超导配对有关，或为其他多体效应。
• 探究双峰特征的温度与掺杂依赖性，以推断其物理起源。

提出的方法

• 采用超高分辨率激光型角分辨光电子能谱（ARPES）探测Ba1-xKxFe2As2单晶的电子结构。
• 在一系列掺杂水平（x = 0.2 至 0.7）和温度下进行测量，包括低于超导转变温度Tc = 36 K的区域。
• 分析谱图中的结合能特征，重点关注峰随温度和掺杂的变化行为。
• 将双峰结构的能量与温度依赖性与超导相干峰及电子-玻色子耦合的理论预期进行比较。
• 由于高能峰处无能隙，排除其为直接超导相干峰的可能。
• 通过第二峰的能量分裂与温度演化，推断出约8 meV的玻色子模式能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ba1-xKxFe2As2的ARPES谱图中，Tc以下观测到的双峰结构（特别是13 meV结合能处的高能峰）的成因是什么？
• RQ2 13 meV峰是否与超导配对有关，还是源于其他多体相互作用？
• RQ3 双峰的能量与强度如何随掺杂水平和温度变化？
• RQ4 13 meV峰是否在Tc以上温度出现，表明其为预形成或竞争序？
• RQ5 导致第二峰的潜在玻色子模式的本质是什么？其随掺杂的变化行为如何？

主要发现

• 在Tc = 36 K以下，5 meV结合能处出现超导相干峰，与费米面上超导能隙的打开一致。
• 13 meV结合能处的第二峰在约90 K以下出现，远高于Tc，且无能隙存在，表明其并非超导相干峰。
• 该13 meV峰在x = 0.2至0.6的掺杂范围内可观测，随过度掺杂增加（x > 0.4）而减弱，并在x = 0.7时完全消失。
• 第二峰的能量与约8 meV的玻色子模式耦合一致，提示其源于动态电子或晶格激发。