[论文解读] Absence of holelike Fermi surface in superconducting K0.8Fe1.7Se2 revealed by ARPES

Tian Qian, X. P. Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2010

Iron-based superconductors research参考文献 3被引用 8

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）研究了超导体K0.8Fe1.7Se2的电子结构，发现费米表面主要由M点处的单一电子态能带主导，且不具有空穴态特征。与其他铁基超导体不同，该体系中不存在空穴态费米面口袋，导致出现独特的({\pi}, {\pi})费米面间散射通道，表明该体系的配对机制可能由电子-电子关联驱动。

ABSTRACT

We have performed an angle-resolved photoemission spectroscopy study of the new iron-based superconductor K0.8Fe1.7Se2 (Tc ~ 30 K). Clear band dispersion is observed with the overall bandwidth renormalized by a factor of 2.5 compared to our local density approximation calculations, indicating relatively strong correlation effects. Only an electronlike band crosses the Fermi energy, forming a nearly circular Fermi surface (FS) at M (π, 0). The holelike band at Γ sinks ~ 90 meV below the Fermi energy, with an indirect band gap of 30 meV to the bottom of the electronlike band. The observed FS topology in this superconductor favors (π, π) inter-FS scattering between the electronlike FSs at the M points, in sharp contrast with other iron-based superconductors which favor (π, 0) inter-FS scattering between holelike and electronlike FSs.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ARPES确定铁基超导体K0.8Fe1.7Se2的费米面拓扑结构。
• 解决长期以来关于该材料中是否存在空穴态费米面口袋的争议。
• 理解所观测到的费米面拓扑结构对超导配对机制的影响。
• 评估电子关联在电子结构形成中的作用，特别是能带宽度的自能重整化效应。
• 将K0.8Fe1.7Se2的费米面拓扑结构与其他铁基超导体进行比较，识别其独特特征。

提出的方法

• 在低温（T ≈ 4 K）条件下对单晶K0.8Fe1.7Se2样品进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 通过探测光电子发射强度随出射角和光子能量的变化，获得电子能带结构和费米面拓扑信息。
• 将实验测得的能带色散与局域密度近似（LDA）计算结果进行比较，以评估电子关联效应。
• 从测量的能带色散中识别费米能级交点，确定费米面的拓扑结构。
• 分析在Γ点处空穴态能带与电子态能带之间的能级劈裂，包括30 meV的间接带隙。
• 基于观测到的费米面几何结构，评估费米面间的散射矢量。

实验结果

研究问题

• RQ1 K0.8Fe1.7Se2的费米面是否在Γ点附近表现出空穴态口袋，如某些理论模型所预测？
• RQ2 K0.8Fe1.7Se2的实际费米面拓扑结构是什么？与其它铁基超导体相比有何异同？
• RQ3 从ARPES与LDA结果的差异来看，电子关联对K0.8Fe1.7Se2能带宽度的重整化程度如何？
• RQ4 所观测到的费米面拓扑结构对超导配对机制有何影响？
• RQ5 K0.8Fe1.7Se2中的费米面间散射是否主要由({\pi}, 0)或({\pi}, {\pi})矢量主导？与其它铁基超导体有何不同？

主要发现

• 仅有一条电子态能带穿过费米能级，在M点（{\pi}, 0）附近形成近似圆形的费米面。
• Γ点处的空穴态能带位于费米能级以下约90 meV，表明不存在空穴态费米面口袋。
• 电子态能带底部与Γ点处空穴态能带之间存在30 meV的间接带隙。
• 所观测能带的能带宽度相比LDA计算结果被重整化了2.5倍，表明存在强烈的电子关联效应。
• 费米面拓扑结构有利于M点处电子态费米面之间的({\pi}, {\pi})费米面间散射。
• 缺乏空穴态费米面与其它铁基超导体中常见的费米面嵌套图像相矛盾，提示该体系可能具有不同的配对机制。