[论文解读] Direct observation of dispersive lower Hubbard band in iron-based superconductor FeSe

D. V. Evtushinsky, Markus Aichhorn+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Iron-based superconductors research参考文献 20被引用 28

一句话总结

本研究结合角分辨光电子能谱（ARPES）与动态平均场理论（DMFT），在铁基超导体FeSe中直接观测到色散性的低Hubbard带（LHB）。结果揭示了整个3d能带中强烈的电子关联效应，清晰地表现出相干费米液体态与一个明确、色散的LHB之间的光谱权重分离，证明了中等强度关联在FeSe超导行为中的关键作用。

ABSTRACT

Electronic correlations were long suggested not only to be responsible for the complexity of many novel materials, but also to form essential prerequisites for their intriguing properties. Electronic behavior of iron-based superconductors is far from conventional, while the reason for that is not yet understood. Here we present a combined study of the electronic spectrum in the iron-based superconductor FeSe by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and dynamical mean field theory (DMFT). Both methods in unison reveal strong deviations of the spectrum from single-electron approximation for the whole 3$d$ band of iron: not only the well separated coherent and incoherent parts of the spectral weight are observed, but also a noticeable dispersion of the lower Hubbard band (LHB) is clearly present. This way we demonstrate correlations of the most puzzling intermediate coupling strength in iron superconductors.

研究动机与目标

• 为解决铁基超导体（如FeSe）中常规能带理论失效的电子关联本质问题。
• 确定FeSe中观测到的光谱重分布是否源于强电子-电子关联，而非其他效应。
• 通过实验与理论相结合的方法，确立FeSe中低Hubbard带（LHB）的存在及其色散特性。
• 阐明中等关联强度在铁基超导体中的作用，与铜氧化物和莫特绝缘体进行对比。
• 研究非相互作用能带中的杂化能隙如何影响Hubbard带的形成与可探测性。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量FeSe在动量空间高对称方向上的电子结构。
• 基于具有实际参数的Hubbard模型，利用动态平均场理论（DMFT）进行自能计算。
• 采用两种方法对自能进行解析延拓：人工格林函数与重标定自能，以确保谱函数重建的稳健性。
• 通过德鲁克森方程计算谱函数，整合自能与双计数修正。
• 采用两轨道模型并引入杂化能隙，以解析方式展示非相互作用能带结构如何增强Hubbard带的分离。
• 通过ARPES数据、DMFT结果与LDA计算的对比分析，将关联效应与能带结构贡献分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe中的低Hubbard带（LHB）是否表现出可测量的色散，表明其关联强度已超越单粒子行为？
• RQ2 FeSe中观测到的光谱特征在多大程度上偏离了局域密度近似（LDA）的预测，这是由电子-电子关联引起的？
• RQ3 非相互作用能带结构中的杂化能隙如何影响Hubbard带的形成与可探测性？
• RQ4 FeSe中中等关联强度是否足以产生清晰定义的LHB？其与铜氧化物或莫特绝缘体相比有何不同？
• RQ5 DMFT计算能否重现ARPES中观测到的完整谱结构，包括相干能带与LHB？

主要发现

• ARPES测量在FeSe中揭示出一个清晰、色散的低Hubbard带（LHB），其能量色散与3d能带结构一致，证实了强关联效应。
• 3d能带中的光谱权重被划分为靠近费米能级的相干费米液体态以及在较低束缚能下的独立、弱色散LHB。
• DMFT计算以高保真度重现了ARPES数据，包括LHB的色散特性与相干与非相干部分之间的光谱权重耗竭。
• LHB在非相互作用态密度中具有赝隙的轨道中最为显著，该特性增强了Hubbard带的分离。
• DMFT导出的自能表现出强烈的能量与动量依赖性，证实了超越微扰近似的非平凡多体效应。
• ARPES与DMFT在多个高对称方向上均保持良好一致，验证了理论框架与实验数据的可靠性。