[論文レビュー] Evolution of the Fermi surface of BaFe_2(As_{1-x}P_x)_2 on entering the superconducting dome

H. Shishido, A.F. Bangura+16 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Oct 19, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 13

ひとこと要約

de Haas-van Alphen量子振動測定を用いて、この研究では、超伝導ドームに跨るBaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるフェルミ面の進化を追跡した。電子およびホールのフェルミ面体積はxの減少に伴い線形に縮小するが、準粒子有効質量は顕著に増加する—これは、バンド構造的効果ではなく、スピン揺らぎによる強い多体相互作用が、磁気的量子臨界点付近における高Tc超伝導の主な駆動要因であることを示唆している。

ABSTRACT

Using the de Haas-van Alphen effect we have measured the evolution of the Fermi surface of BaFe_2(As_{1-x}P_x)_2 as function of isoelectric substitution (As/P) for 0.41

研究の動機と目的

• 超伝導ドームの最大Tcに近づくに従い、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂におけるフェルミ面の進化を調査すること。
• フェルミ面体積および準粒子有効質量の変化が、一電子バンド構造に起因するのか、多体相互作用に起因するのかを特定すること。
• 磁気的量子臨界点付近における鉄ヒ素化物における非摂動的超伝導を駆動する電子相関の役割を明確化すること。
• フェルミ面再構築および質量増大が、格子やバンド構造の変化ではなく、電子相関効果に起因するという仮説を検証すること。

提案手法

• 高磁場（最大55 T）および低温（0.092–1.5 K）条件下でde Haas-van Alphen（dHvA）効果測定を実施し、磁化の量子振動を検出する。
• 振動磁化のフーリエ変換を用いて、フェルミ面の極値断面を特定し、dHvA周波数を抽出する。
• 温度依存の振動振幅をLifshitz-Kosevich式にフィットさせ、準粒子有効質量（m*）を抽出する。
• Vegardの法則を用いた第一原理バンド構造計算と、実験的フェルミ面体積およびm*値を比較する。
• 超伝導ドームおよびパラ磁性非超伝導終末成分をカバーするx = 0.41からx = 1.0に亘る範囲で、変化を追跡する。
• 電子相関の役割を評価するため、観測された質量増大と電子-フォノン結合による予想される増大（全増大の約25％）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 xを最大Tcに近づけるに従い、BaFe₂(As₁₋ₓPₓ)₂における電子およびホールのフェルミ面体積はどのように変化するか？
• RQ2 準粒子有効質量の変化は、一電子バンド構造と比較して、どの程度多体電子相関に起因するか？
• RQ3 観測されたフェルミ面収縮は、Vegardの法則に基づくバンド構造予測と整合性があるか？
• RQ4 スピン揺らぎは、有効質量の増大および高Tc超伝導の出現を駆動する役割を果たしているか？
• RQ5 フェルミ面および質量の進化傾向が、磁気的量子臨界点付近でのTcピークとどのように相関しているか？

主な発見

• 電子およびホールのフェルミ面体積は、xの減少に伴い線形に縮小しており、超伝導ドーム全域に亘るフェルミ面の体系的再構築を示している。
• xが磁気秩序相境界に近づくに従い、準粒子有効質量は顕著に増大し、m*/mbはx = 1からx = 0.41の間で約2から約4に上昇する。
• 観測された質量増大は、バンド構造計算や電子-フォノン結合だけでは説明できない。これらは全増大の約25％にとどまる。
• フェルミ面収縮は、Vegardの法則に基づくバンド構造予測とは整合せず、xに伴うdHvA周波数の変化は僅かにとどまる。
• 増大するm*とTcピークとの強い相関から、多体相互作用（おそらくスピン揺らぎに起因）が、高Tc超伝導の出現において中心的役割を果たしていることが示唆される。
• 結果から、磁気的量子臨界点付近における電子構造の進化は、静的バンド構造ではなく多体効果に支配されており、スピン揺らぎ媒長のペアリングが関与している可能性を支持する。