[論文レビュー] Fermi surface and strong coupling superconductivity in single crystal NdFeAsO_{1-x}F_x

Chang Liu, Takeshi Kondo+13 more|ArXiv.org|Jun 12, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて単結晶NdFeAsO1-xFxのフェルミ面および電子構造をマップし、Γ点にホールポケット、M点に電子ポケットが存在することを明らかにした。20 meVの超伝導ギャップは強い結合を示唆している。Tc未満での分光的挙動は銅酸化物超伝導体に類似しており、異なる電子的起源を持つにもかかわらず、ペアリング機構に類似性がある可能性を示している。

ABSTRACT

We use angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) to investigate the electronic properties of the newly discovered oxypnictide superconductor, NdFeAsO_{1-x}F_x. We find a well-defined Fermi surface that consists of a large hole pocket at the Brillouin zone center and a smaller electron pocket in each corner of the Brillouin zone. The overall location and shape of the Fermi surface agrees reasonably well with calculations. The band dispersion is quite complicated with many flat bands located just below the chemical potential. We observe a superconducting gap of 20 meV, which indicates that this system is in the strong coupling regime. The emergence of a coherent peak below the critical temperature Tc and diminished spectral weight at the chemical potential above Tc closely resembles the spectral characteristics of the cuprates.

研究の動機と目的

• 新たに発見された酸化ヒ素化物超伝導体NdFeAsO1-xFxの電子構造を、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて特定すること。
• フェルミ面のトポロジーを同定し、理論的計算との整合性を評価すること。
• 超伝導ギャップを測定し、Tc未満での分光的変化を分析してペアリング機構を評価すること。
• NdFeAsO1-xFxの分光的特徴が、特に coherent peak の形成とスペクトル重み再分配の観点から、高Tc銅酸化物超伝導体とどのように比較できるかを検討すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を、22 eVおよび77 eVの光子エネルギーを用いて、さまざまな温度で単結晶NdFeAsO1-xFxに対して実施した。
• 化学ポテンシャル周辺の20 meVウィンドウで光電子強度を統合することで、フェルミ面マップを抽出した。
• 運動量分布曲線（MDCs）をフィッティングしてフェルミ面交差点を特定し、バンド分散を決定した。
• エネルギー分布曲線（EDCs）を分析してスペクトル重みの変化を研究し、超伝導ギャップの特徴を同定した。
• 同じ結晶に対して、温度依存のトンネルダイオードレゾネーター（TDR）測定を実施し、超伝導性を確認した。
• 第一原理FLAPW計算を用いて、実験的フェルミ面トポロジーと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdFeAsO1-xFxの詳細なフェルミ面トポロジーは何か？ また、理論的予測とどのように一致するか？
• RQ2 NdFeAsO1-xFxにおける超伝導ギャップの大きさは何か？ これは結合強度にどのような含意を持つのか？
• RQ3 Tc未満およびTc以上の分光的特徴は、銅酸化物超伝導体とどのように比較できるか？
• RQ4 フェルミ準拠近くに平坦なバンドが存在し、電子相関効果によって電子ペアリングを媒介する可能性はあるか？
• RQ5 Tc未満での観察された分光的変化は、高Tc銅酸化物超伝導体におけるメカニズムと類似していると見なせるか？

主な発見

• フェルミ面はΓ点に中心を置くホールポケットと、M点に存在する電子ポケットから構成されており、バンド構造計算と整合的である。
• Γ点において化学ポテンシャルから約50 meV下に顕著な平坦なバンドが観測され、kz分散を組み込むとZ点に楕円体的ポケットが生じる可能性がある。
• Γ点のホールポケットにおける超伝導ギャップは20 meVであり、2Δ/Tc ≈ 8に相当する。これは強い結合を示唆している。
• Tc未満では、約20 meVの結合エネルギーに鋭いcoherent peakが出現し、フェルミ準拠でのスペクトル重みが減少する。これは銅酸化物と類似した挙動である。
• 分光的変化、特に分散のバックバーニングおよびTc未満での疑似ギャップ的特徴は、高Tc銅酸化物超伝導体と類似している。
• トンネルダイオードレゾネーター法による透過深度測定により、ARPESで測定した同じ結晶における超伝導性が確認された。