[论文解读] Tuning across the BCS-BEC crossover in the multiband superconductor Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ : An angle-resolved photoemission study

Shahar Rinott, K.B. Chashka A. Ribak+5 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Iron-based superconductors research参考文献 28被引用 7

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）在多带超导体 Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ 中调节费米能级，通过化学掺杂实验实现了 BCS-BEC 跨越。结果表明，当 Δ/ε_F 从 0.16 增加到 0.5 时，配对机制连续地从 BCS 演化为 BEC，揭示了电子能带色散和配对对称性在单带模型之外的显著变化。

ABSTRACT

The crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductivity to Bose-Einstein condensation (BEC) is difficult to realize in quantum materials because, unlike in ultracold atoms, one cannot tune the pairing interaction. We realize the BCS-BEC crossover in a nearly compensated semimetal Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ by tuning the Fermi energy, $ε_F$, via chemical doping, which permits us to systematically change $Δ/ ε_F$ from 0.16 to 0.5 were $Δ$ is the superconducting (SC) gap. We use angle-resolved photoemission spectroscopy to measure the Fermi energy, the SC gap and characteristic changes in the SC state electronic dispersion as the system evolves from a BCS to a BEC regime. Our results raise important questions about the crossover in multiband superconductors which go beyond those addressed in the context of cold atoms.

研究动机与目标

• 在无法调节配对相互作用的多带超导体中，实验实现 BCS-BEC 跨越。
• 研究当系统从 BCS 区域跨越到 BEC 区域时，电子结构和超导能隙的演化行为。
• 探讨多带效应和费米面拓扑在跨越动力学中的作用。
• 检验多带效应是否改变超冷原子系统中观测到的普适跨越行为。
• 提供 Δ/ε_F、能隙各向异性和跨越过程中能带色散重分布的定量 ARPES 测量。

提出的方法

• 通过 Fe$_{1+y}$Se$_x$Te$_{1-x}$ 的化学掺杂系统调节费米能级（ε_F），并控制 Δ/ε_F 比值。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接测量电子能带结构、超导能隙（Δ）和费米面拓扑。
• 通过谱权重新分布和能带色散重分布的分析，识别配对跨越的特征。
• 比较多个掺杂水平下的测量 Δ 和 ε_F，绘制从 BCS 到 BEC 类配对的演化图。
• 采用多带拟合提取能隙参数和费米面嵌套效应。
• 将 ARPES 数据与多带系统中 BCS-BEC 跨越的理论模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有竞争性电子序的多带超导体中，BCS-BEC 跨越如何表现？
• RQ2 能带简并和费米面拓扑在多大程度上改变了普适的跨越行为？
• RQ3 当 Δ/ε_F 从 0.16 增加到 0.5 时，电子能带色散和谱权如何变化？
• RQ4 在多带系统中，超导能隙各向异性如何在跨越过程中演化？
• RQ5 是否可以在不调节相互作用强度的情况下，实验实现量子材料中的 BCS-BEC 跨越？

主要发现

• 通过化学掺杂将 Δ/ε_F 从 0.16 调节至 0.5，实现了对 BCS-BEC 跨越的受控扫掠。
• ARPES 显示超导能隙和谱权连续演化，配对强度增强，且在 BEC 区域相干峰展宽减小。
• 电子能带色散表现出显著的重正化和能带位移，表明在跨越区域存在强耦合效应。
• 多带特性导致非普适行为，表现为能隙演化和费米面重构具有明显的带依赖性。
• 数据明显偏离单带 BCS-BEC 理论，表明多带效应主导了跨越物理行为。
• 该体系从弱耦合 BCS 到强耦合 BEC 类配对发生跨越，未观察到相变迹象，与平滑演化一致。