[论文解读] Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy of Iron-Chalcogenide Superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 : Strong-Coupling Superconductivity and Universality of Inter-Band Scattering

K. Nakayama, T. Sato+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用 10

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）研究了铁碲硒族超导体Fe1.03Te0.7Se0.3（Tc = 13 K）的电子结构。结果揭示了在Γ点存在一个空穴型费米面，而在M点存在一个电子型费米面，二者几乎通过Q ~ (π, π)实现嵌套，具有各向同性的超导能隙Δ ~ 4 meV，且强耦合比2Δ/kBTc ~ 7，表明通过Q ~ (π, π)自旋涨落实现的互带散射驱动了超导性，提示铁基超导体中存在普遍性。

ABSTRACT

We have performed high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy of iron-chalcogenide superconductor Fe1.03Te0.7Se0.3 (Tc = 13 K) to investigate the electronic structure relevant to superconductivity. We observed a hole- and an electron-like Fermi surfaces at the Brillouin zone center and corner, respectively, which are nearly nested by the Q~(pi, pi) wave vector. We do not find evidence for the nesting instability with Q~(pi+delta, 0) reminiscent of the antiferromagnetic order in the parent compound Fe1+yTe. We have observed an isotropic superconducting gap along the hole-like Fermi surface with the gap size Delta of ~4 meV (2Delta/kBTc~7), demonstrating the strong-coupling nature of the superconductivity. The observed similarity of low-energy electronic excitations between iron-chalcogenide and iron-arsenide superconductors strongly suggests that common interactions which involve Q~(pi, pi) scattering are responsible for the superconducting pairing.

研究动机与目标

• 解决铁碲硒族超导体Fe1+yTe1−xSex中费米面拓扑结构的争议。
• 确定与Q ~ (π+δ, 0)或Q ~ (π, π)相关的自旋涨落中，哪一种在超导配对机制中占主导地位。
• 研究Q ~ (π, π)在铁基超导体中互带散射的普遍性，特别是比较11型（FeTeSe）与122型（BaFe2As2）体系。
• 阐明过量Fe和Se掺杂在调节电子结构和超导特性中的作用。

提出的方法

• 在KEK-PF和东北大学使用44和100 eV光子以及He Iα（21.218 eV）进行高分辨率角分辨光电子能谱测量。
• 在超高真空环境（优于1×10−10 Torr）下进行测量，并通过原位解理确保表面清洁。
• 能量分辨率分别设定为1.7、12和35 meV，用于超导能隙、价带色散和内层电子能级；角分辨率保持在0.2°。
• 利用内层电子能级谱确认化学组成和表面稳定性，分析Se 3d和Te 4d能级以确定氧化态。
• 以蒸发在基底上的金膜作为费米能级参考。
• 低能电子衍射（LEED）证实了在80 K以下无重构的清洁1×1表面结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe1.03Te0.7Se0.3的费米面是否通过Q ~ (π, π)实现嵌套，与铁基超导体中的互带散射一致？
• RQ2 超导能隙是否各向同性，且足够大以表明强耦合行为？
• RQ3 中子散射中观测到的与Q ~ (π+δ, 0)相关的自旋涨落是否与该材料中的超导配对有关？
• RQ4 Fe1.03Te0.7Se0.3的电子结构与最佳掺杂的122型超导体（如BaFe2As2）相比如何？
• RQ5 过量Fe和Se掺杂在抑制或增强特定自旋涨落通道中起什么作用？

主要发现

• Fe1.03Te0.7Se0.3的费米面由Γ点处的空穴型口袋和M点处的电子型口袋组成，通过Q ~ (π, π)实现近乎完美的嵌套。
• 未发现费米面重构或X点处存在额外口袋的证据，与早期关于Fe1+yTe的ARPES结果相矛盾。
• 在空穴型费米面上观测到各向同性的超导能隙Δ ~ 4 meV，且2Δ/kBTc比值约为7，证实了强耦合超导性。
• 未发现通过Q ~ (π+δ, 0)实现的嵌套，且无相应费米面特征，表明Q ~ (π+δ, 0)自旋涨落未直接参与配对。
• 观测到的电子结构和超导能隙与最佳掺杂的122型超导体在定量上相似，表明通过Q ~ (π, π)自旋涨落介导的配对机制具有普遍性。
• 中子散射数据显示在Tc以上Q ~ (π, π)附近存在自旋涨落，与ARPES观测结果一致，支持配对相互作用的磁性起源。