[논문 리뷰] Van Hove singularities, chemical pressure and phonons: an angle-resolved photoemission study of KFe$_2$As$_2$ and CsFe$_2$As$_2$

P. Richard, Ambroise van Roekeghem외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 30.

Iron-based superconductors research참고 문헌 49인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 역학적 압력에 의해 KFe₂As₂ 및 CsFe₂As₂에서의 반도체 특성에 가까운 점이 에너지 수준이 증가하고, 이로 인해 밀도 상태가 증가하며, 이는 큰 Sommefeld 계수 기여를 유도한다. 이 점이 패러미터 수준에 가까워지면, 저항성의 고에너지 전이와 관련이 있으며, 초전도 전이 온도의 이례적인 필압 의존성에 대한 설명을 제공할 수 있다.

ABSTRACT

We report an angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of KFe$_2$As$_2$ and CsFe$_2$As$_2$, revealing the existence of a van Hove singularity affecting the electronic properties. As a result of chemical pressure, we find a stronger three-dimensionality in KFe$_2$As$_2$ than in CsFe$_2$As$_2$, notably for the 3$d_{z^2}$ states responsible for the small three-dimensional hole-like Fermi surface pocket reported by quantum oscillations. Supported by first-principles calculations, our ARPES study shows that the van Hove singularity previously reported in KFe$_2$As$_2$ moves closer to the Fermi level under negative chemical pressure. This observation, which suggests that the large density-of-states accompanying the van Hove singularity contributes to the large Sommerfeld coefficient reported for the AFe$_2$As$_2$ (A = K, Rb, Cs) series, is also consistent with the evolution of the inelastic scattering revealed by transport under external pressure, thus offering a possible interpretation for the origin of the apparent change in the superconducting order parameter under pressure. We find that the coherent spectral weight decreases exponentially upon increasing temperature with a characteristic temperature $T^*$. We speculate how the low-energy location of the van Hove singularity and the presence of a low-energy peak in the phonon density-of-states can relate to the high-temperature crossover observed in various electronic and thermodynamic quantities.

연구 동기 및 목표

• 역학적 압력에 따른 AFe₂As₂ (A = K, Cs) 화합물의 전자 구조가 어떻게 변화하는지 역학적 압력에 따라 각도 분 giải 광전자 방출 스펙트로스코피(ARPES) 및 처음부터 계산된 전자 구조 계산을 통해 연구한다.
• 화학적 압력이 AFe₂As₂ (A = K, Cs) 화합물의 3차원 성질과 전자 상호작용에 미치는 영향을 규명한다.
• van Hove 특이점이 Sommefeld 계수를 증가시키고 초전도 성질에 미치는 영향을 조사한다.
• van Hove 특이점의 위치와 관측된 고에너지 저항성 전이, Tc의 필압 의존성 역전 현상 간의 상관관계를 분석한다.
• 전자 상호작용, 격자 진동 모드, T* 근처에서의 스펙트럼 무게 감소 간의 상호작용을 평가한다.

제안 방법

• 저온에서 단일 결정 KFe₂As₂ 및 CsFe₂As₂에 대해 다양한 화학적 압력 조건에서 각도 분해 광전자 방출 스펙트로스코피(ARPES)를 수행하였다.
• 밴드 분산 및 밀도 상태를 모델링하기 위해 처음부터 계산된 전자 구조 계산을 수행하였으며, 화학적 압력의 영향를 포함하였다.
• 모멘텀 공간에서의 van Hove 특이점 위치를 특정하고, 음성 화학적 압력 하에서의 에너지 수준에 대한 변화를 분석하였다.
• 온도 의존성 ARPES 스펙트럼을 분석하여 스펙트럼 무게가 지수적으로 감소하는 특성 온도 T*를 추출하였으며, 이는 페르미 액체의 공명성이 상실됨을 나타낸다.
• 고에너지 저항성 전이의 에너지 척도를 격자 진동의 밀도 상태, 특히 격자 스펙트럼의 첫 번째 피크와 관련지어 분석하였다.
• 운반성 데이터 및 NMR 측정을 통해 고에너지 전이의 에너지 척도를 확인하고, 이와 van Hove 특이점의 위치와 연관지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적 압력은 KFe₂As₂ 및 CsFe₂As₂의 전자 구조의 3차원 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 AFe₂As₂ (A = K, Rb, Cs) 화합물에서 van Hove 특이점은 Sommefeld 계수를 증가시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 압력 하에서 van Hove 특이점의 위치가 Fermi 수준에 대해 어떻게 변화하는가? 이는 초전도 전이 온도 Tc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 철계 초전도체에서 관측된 고에너지 저항성 전이의 기원은 무엇이며, 전자 및 격자 진동 자유도와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 강한 전자 상호작용을 유일한 기원으로 간주하지 않더라도, van Hove 특이점과 격자 진동 밀도 상태는 관측된 T* 전이를 얼마나 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• KFe₂As₂에서의 van Hove 특이점은 음성 화학적 압력 하에서 Fermi 수준에 더 가까워지며, 이로 인해 EF 근처의 밀도 상태가 증가하고, 이는 큰 Sommefeld 계수에 기여한다.
• KFe₂As₂는 CsFe₂As₂보다 더 강한 3차원 성질을 보이며, 특히 3d_{z²} 상태에서 이러한 성질이 두드러지며, 이는 양성자형 Fermi 표면 편의를 설명하는 데 기여한다.
• 일관된 스펙트럼 무게는 온도가 증가함에 따라 지수적으로 감소하며, 이에 대응하는 특성 온도 T*는 다른 실험 연구에서 보고된 값과 일치한다.
• 저항성에서 관측된 고에너지 전이의 에너지 척도는 격자 진동 밀도 상태의 첫 번째 피크와 상관관계를 보이며, 이는 이전 연구에서 저항성의 선형에서 이차형으로의 변화와 관련된 것으로 밝혀졌다.
• KFe₂As₂에서 van Hove 특이점의 모멘텀 위치가 s± 갭 함수의 노드선 근처에 위치함으로써, Tc의 필압 의존성 역전 현상에 대한 설명이 가능하다.
• 저에너지 van Hove 특이점과 피크를 이룬 격자 진동 밀도 상태의 공존은 강한 전자 상호작용을 유일한 기원으로 보지 않더라도 고온에서의 저항성 전이를 설명할 수 있다.