[論文レビュー] Stripe antiferro-orbital ordering in the nematic state of FeSe

Matthew D. Watson, T. K. Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、FeSeのネミック相において、穴バンドポケットに四重対称性の破れを示すが、電子バンドポケットには示さない角度分解光電子分光法（ARPES）の結果を裏付けとして、一方向性のネミック結合秩序の状況を提案する。主な発見は、解像度制限のない状態での$d_{xy}$および$d_{xz/yz}$バンドの分裂であり、これは10軌道タイトバインディングモデルによって説明され、ネミック性の起源を軌道デゲネラシーの解除を超えて再定義するものである。

ABSTRACT

The lifting of $d_{xz}$-$d_{yz}$ orbital degeneracy is often considered a hallmark of the nematic phase of Fe-based superconductors, including FeSe, but its origin is not yet understood. Here we report a high resolution Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy study of single crystals of FeSe, accounting for the photon-energy dependence and making a detailed analysis of the temperature dependence. We find that the hole pocket undergoes a fourfold-symmetry-breaking distortion in the nematic phase below 90~K, but in contrast the changes to the electron pockets do not require fourfold symmetry-breaking. Instead, there is an additional separation of the existing $d_{xy}$ and $d_{xz/yz}$ bands - which themselves are not split within resolution. These observations lead us to propose a new scenario of unidirectional nematic bond ordering to describe the low-temperature electronic structure of FeSe, supported by a good agreement with 10-orbital tight binding model calculations.

研究の動機と目的

• FeSeにおけるネミック性の未解決の起源、特にネミック相における軌道秩序の役割を解明すること。
• FeSeにおける$n$-ネミック秩序の主因が$d_{xz}$-$d_{yz}$軌道デゲネラシーの解除であるかどうかを調査すること。
• ネミック転移温度（約90 K）未満における穴バンドポケットおよび電子バンドポケットの電子状態の歪みの性質を特定すること。
• 従来の軌道秩序ではなく、結合秩序のような新しいメカニズムが観察された電子対称性の破れをよりよく説明できるかどうかを検証すること。
• 観測されたARPESデータを再現する10軌道タイトバインディングモデルを用いて、提案されたメカニズムを検証すること。

提案手法

• マトリックス要素効果を補正するため、さまざまな光子エネルギーを用いてFeSe単結晶における高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施する。
• 300 Kから90 Kまでの温度依存的解析を実施し、ネミック秩序の発現を特定する。
• 穴バンドポケットおよび電子バンドポケットの分散の進化を分析し、四重対称性の破れを検出する。
• $d_{xy}$および$d_{xz/yz}$バンド間の分裂をサブミリエレクトロンボルト解像度で測定し、軌道デゲネラシーの解除が行われているかどうかを評価する。
• 実験的ARPESデータとab initioの10軌道タイトバインディングモデル計算結果を比較し、理論的一致性を検証する。
• 光子エネルギー依存測定を用いて、内在的電子状態と実験的アーティファクトを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeのネミック相では、穴バンドポケットおよび電子バンドポケットの両方で四重対称性の破れが生じるか？
• RQ2 観測された$d_{xy}$および$d_{xz/yz}$バンド間の分裂は、軌道デゲネラシーの解除と整合的か、それとも別のメカニズムを示唆するか？
• RQ3 従来の軌道秩序ではない場合、FeSeにおけるネミック状態の起源は何か？
• RQ4 標準的な軌道秩序モデルと比較して、一方向性ネミック結合秩序のシナリオがARPESデータをよりよく説明できるか？
• RQ5 10軌道タイトバインディングモデルの計算は、ネミック相における観測された電子状態をどの程度再現できるか？

主な発見

• FeSeの穴バンドポケットは90 K未満で四重対称性の破れを示し、電子状態におけるネミック秩序を示している。
• 電子バンドポケットには四重対称性の破れが認められず、ネミック歪みがフェルミ面全体に均一に分布しているわけではないことを示唆している。
• $d_{xy}$および$d_{xz/yz}$バンドはエネルギー的に分裂しているが、実験的解像度内では分解されないため、微細で非デゲネラシー的な分裂であることが示唆される。
• 観測された分裂は、従来の軌道秩序ではなく、一方向性ネミック結合秩序メカニズムによって最もよく説明される。
• 10軌道タイトバインディングモデルの計算結果はARPESデータと良好に一致しており、提案された一方向性結合秩序シナリオを支持している。
• これらの結果は、$d_{xz}$-$d_{yz}$軌道デゲネラシーの解除がFeSeにおけるネミック性の特徴であるという従来の見解に挑戦するものである。