[论文解读] Electron-phonon coupling and momentum-dependent electron dynamics in EuFe2As2 using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy

Laurenz Rettig, R. Cortés+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2010

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究利用时间-角度分辨光电子能谱（trARPES）研究了铁砷化物母体化合物EuFe₂As₂中的电子动力学及电子-声子耦合。研究揭示了由带间散射驱动的动量依赖性弛豫以及相干声子行为，电子-声子耦合常数λ < 0.5，表明该类材料中电子-声子耦合对超导性的影响有限。

ABSTRACT

The Fe pnictide parent compound EuFe2As2 exhibits a strongly momentum dependent carrier dynamics around the hole pocket at the center of the Brillouin zone. The very different dynamics of electrons and holes cannot be explained solely by intraband scattering and interband contributions have to be considered. In addition, three coherently excited modes at frequencies of 5.6, 3.1 and 2.4 THz are observed. An estimate of the electron-phonon coupling parameter reveals lambda &lt; 0.5, suggesting a limited importance of e-ph coupling to superconductivity in Fe pnictides.

研究动机与目标

• 研究铁砷化物母体化合物EuFe₂As₂中动量依赖性电子动力学。
• 确定电子-电子与电子-声子散射在准粒子弛豫中的作用。
• 识别并表征与费米能级附近电子态强耦合的相干晶格模式。
• 估算电子-声子耦合强度λ，并评估其在铁基体系超导性中的相关性。

提出的方法

• 采用飞秒激光脉冲（55 fs，1.5 eV）对EuFe₂As₂进行光学激发。
• 利用时间延迟的紫外探测脉冲（80 fs，6.0 eV）通过trARPES测量能量-动量分辨的单粒子谱函数。
• 对谱函数动力学进行能量与动量分辨分析，能量分辨率达50 meV，动量分辨率达0.05 Å⁻¹。
• 从时间分辨谱中提取电子平均过剩能量，以量化能量弛豫速率。
• 基于能量弛豫速率dE/dt = πħλω²的非热模型，估算电子-声子耦合参数λ。
• 通过分析衰减率γ = ℏτ⁻¹ = 2ImΣ(ε)，分离电子-电子（γₑₑ ∝ ε²）与电子-声子（γₑₚₕ）散射的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在EuFe₂As₂中，电子与空穴准粒子的弛豫行为有何不同？其动量依赖性动力学的成因是什么？
• RQ2 在弛豫过程中，哪种电子散射过程——带内、带间或电子-声子——占主导地位？
• RQ3 EuFe₂As₂中电子-声子耦合的强度如何？与铜氧化物超导体中的数值相比有何差异？
• RQ4 是否存在与费米能级附近电子态强耦合的相干晶格模式？其在载流子弛豫中扮演何种角色？
• RQ5 两温度模型是否适用于描述该体系的弛豫行为？还是非平衡效应占主导地位？

主要发现

• EuFe₂As₂中电子与空穴的动力学表现出强烈的动量依赖性，其中Γ点与X点口袋之间的带间散射主导了弛豫路径。
• 观测到三个相干声子模式，频率分别为5.6、3.1和2.4 THz，其中23 meV的A₁g模式与费米能级附近的电子态表现出强耦合。
• 电子-声子耦合参数估算为λ < 0.5，对于耦合最强的A₁g模式，更严格的上限为λ < 0.2。
• 从trARPES数据中提取出能量弛豫速率dE/dt = πħλω²，得出λω² = 70 meV²作为上限，与光学泵浦-探测结果一致。
• 弛豫动力学最适宜由非热模型描述，因为两温度模型因电子与空穴系统未达热平衡而失效。
• 弱电子-声子耦合表明，电子-声子相互作用不太可能是铁基超导体中主要的配对机制。