[论文解读] Angle integrated photoemission study of SmO$_{0.85}$F$_{0.15}$FeAs

H. W. Ou, Jinchao Zhao+11 more|ArXiv.org|Mar 30, 2008

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过角积分光电子能谱研究了SmO0.85F0.15FeAs，发现费米能级以下0.25 eV处存在一个尖锐特征，且在0.5–3 eV能量区间内态密度平坦，与反铁磁DFT计算结果最为吻合。在Tc以下12 K处未观测到明显的超导能隙打开，表明布里渊区内存在大范围的无能隙区域，支持该铁基体系中的非常规超导性。

ABSTRACT

The electronic structure of the new superconductor, SmO$_{1-x}$F$_x$FeAs ($x=0.15$), has been studied by angle-integrated photoemission spectroscopy. Our data show a sharp feature very close to the Fermi energy, and a relative flat distribution of the density of states between 0.5 eV and 3 eV binding energy, which agrees best with band structure calculations considering an antiferromagnetic ground state. No noticeable gap opening was observed at 12 Kelvin below the superconducting transition temperature, indicating the existence of large ungapped regions in the Brillouin zone.

研究动机与目标

• 利用角积分光电子能谱直接探测SmO0.85F0.15FeAs（一种高Tc铁基超导体）的电子结构。
• 检验涉及反铁磁序和强电子关联的电子结构理论模型。
• 研究在低温下费米能级附近态密度中是否存在超导能隙。
• 通过提供关于态密度的直接实验数据，约束铁砷化物中非常规超导性的理论模型。

提出的方法

• 采用He-I（21.2 eV）和He-II（40.8 eV）辐射源进行角积分光电子能谱测量，能量分辨率为10 meV。
• 在超高真空（~3×10−11 mbar）条件下对原位裂解的多晶SmO0.85F0.15FeAs样品进行测量。
• 各向同性的光电子发射证实了多晶取向，从而实现了角积分态密度的提取。
• 从45 K至31 K记录了温度依赖的谱图，并通过费米函数卷积校正热展宽效应。
• 将数据与假设反铁磁基态的密度泛函理论（DFT）计算结果进行比较，并与动态平均场理论（DMFT）结果进行对照。
• 通过分析谱函数的前沿及其随温度的变化，评估超导能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmO0.85F0.15FeAs的电子结构是否表现出与DFT预测的反铁磁基态一致的特征？
• RQ2 在Tc以下12 K处，是否存在超导能隙在态密度中形成的直接实验证据？
• RQ3 观测到的谱学特征与DFT和DMFT计算结果在定量上如何比较？
• RQ4 费米能级附近的低能特征的性质是什么，其是否与Fe 3d轨道态相关？
• RQ5 如电阻率数据所提示，在约150 K附近是否存在赝能隙形成的迹象？

主要发现

• 在费米能级以下0.25 eV处观测到一个尖锐谱学特征，该特征与假设反铁磁基态的DFT计算结果最为匹配。
• 在0.5 eV至3 eV结合能区间内，态密度保持相对平坦，与反铁磁DFT计算一致，但与DMFT计算结果不符。
• 在Tc以下12 K处未检测到显著的超导能隙打开，表明布里渊区内存在大范围的无能隙区域。
• 经过热展宽校正后，31 K与42 K的谱图高度重合，表明在Tc的75%温度下超导能隙形成微弱。
• 尽管在150 K附近存在电阻率异常，但在该温度以上和以下测量的谱图中均未观察到赝能隙形成的证据。
• 实验数据强烈约束了理论模型，支持该体系中反铁磁DFT模型而非DMFT模型。