[论文解读] Orbital-dependent electron correlation effect on the two- and three-dimensional Fermi surfaces in KFe2As2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy

Tetsuo Yoshida, S. Ideta+15 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2012

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究利用多 photon 能量的角分辨光电子能谱（ARPES）对空穴过掺杂铁砷化物超导体 KFe2As2 的三维费米面进行了测绘。结果揭示了轨道依赖的电子关联效应：具有 $xy$ 轨道特征的费米面（如 $\beta$ 带）显著大于 LDA 预测值，而具有 $yz/zx$ 特征的带（$\alpha$, $\zeta$）则更小，表明存在强烈的质量增强和轨道选择性关联，与 de Haas-van Alphen 测量结果一致，且超导转变温度较低，$T_c \sim$ 4 K。

ABSTRACT

We have performed an angle-resolved photoemission study of the hole-overdoped iron pnictide superconductor KFe2As2, which shows a low Tc of ~4 K. Most of the observed Fermi surfaces show nearly two-dimensional shapes, while a band near the Fermi level shows a strong dispersion along the kz direction and forms a small three-dimensional hole pocket centered at the Z point, as predicted by band-structure calculation. However, hole Fermi surfaces of yz and zx orbital character centered at the Γpoint of the two-dimensional Brillouin zone are smaller than those predicted by the calculation while the other hole Fermi surfaces of xy orbital character is much larger. Clover-shaped hole Fermi surfaces around the corner of the 2D BZ are also larger than those predicted by the calculation. These observations are consistent with the de Haas-van Alphen measurement and indicate orbital-dependent electron correlation effects. The effective masses of the energy bands show moderate to strong enhancement, partly due to electron correlation and partly due to energy shifts from the calculated band structure.

研究动机与目标

• 解析空穴过掺杂铁砷化物超导体 KFe2As2 的三维费米面结构，其超导转变温度较低，$T_c \sim$ 4 K。
• 探究带结构计算与实验费米面观测之间差异的起源，特别是 $\alpha$ 和 $\zeta$ 空穴口袋的收缩以及 $\beta$ 和 $\epsilon$ 口袋的增强现象。
• 利用偏振依赖 ARPES 确定费米面的轨道特征，并将其与电子关联效应关联起来。
• 将 ARPES 得到的有效质量与 de Haas-van Alphen (dHvA) 测量结果进行对比，评估电子关联在电子结构中的作用。

提出的方法

• 在斯坦福同步辐射光源（SSRL）和先进光源（ALS）进行角分辨光电子能谱（ARPES）实验，使用 14 至 40 eV 的光子能量以探测 $k_z$ 色散特性。
• 在 15 K 和超高真空（$<5 \times 10^{-11}$ Torr）条件下原位解理高质量单晶 KFe2As2，以保持表面完整性。
• 采用偏振依赖 ARPES 测量确定费米面片的轨道特征，区分 $xy$、$yz$ 和 $zx$ 轨道的贡献。
• 利用局域密度近似（LDA）与全势线性多极矩法（LAPW）进行带结构计算，以与实验数据对比。
• 从 ARPES 谱中提取有效质量，并与 dHvA 测量结果及 LDA 结果对比，评估电子关联效应。
• 基于 ARPES 得到的有效质量估算电子比热系数 $\gamma$，并与实验值对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 KFe2As2 中具有 $yz/zx$ 轨道特征的 $\alpha$ 和 $\zeta$ 空穴费米面，其尺寸小于 LDA 带结构计算的预测值？
• RQ2 为何具有 $xy$ 轨道特征的 $\beta$ 空穴费米面以及类叶状的 $\epsilon$ 口袋尺寸大于 LDA 预测值？
• RQ3 轨道依赖的电子关联效应在多大程度上解释了 KFe2As2 中观测到的费米面重构现象？
• RQ4 特别是靠近 $Z$ 点时，$\zeta$ 费米面的三维特性如何影响超导能隙结构？
• RQ5 在 $\beta$ 带中观测到的强烈质量增强是否与无节点或有节点的超导能隙一致，这对配对对称性有何含义？

主要发现

• 具有 $xy$ 轨道特征的 $\beta$ 空穴费米面显著大于 LDA 预测值，其有效质量 $m^* \sim 16-18 m_e$，表明存在强烈的轨道选择性关联效应。
• 在 $\Gamma$ 点附近具有 $yz/zx$ 轨道特征的 $\alpha$ 和 $\zeta$ 空穴费米面小于 LDA 预测值，与 dHvA 测量结果一致，显示质量增强和费米面收缩。
• 在布里渊区角附近呈类叶状的 $\epsilon$ 费米面尺寸大于 LDA 预测值，进一步支持轨道依赖的自能修正。
• 从 ARPES 提取的有效质量（$m^* \sim 3-4$ 倍带质量）与 dHvA 测量结果高度一致，证实存在中等至强的电子关联效应。
• 基于 ARPES 数据估算的电子比热系数 $\gamma \sim$ 84 mJ/mol K² 与实验值 $\sim$ 70 mJ/mol K² 良好吻合，验证了 ARPES 所得质量增强的可靠性。
• $\zeta$ 费米面的三维特性，特别是其在 $Z$ 点附近的 $k_z$ 色散，支持存在一个小的三维空穴口袋，并可能有利于超导能隙中水平节点的形成。