[论文解读] Evolution of the Fermi surface of the nematic superconductors FeSe1-xSx

A. I. Coldea, SF Blake+14 more|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|Nov 22, 2016

Iron-based superconductors research被引用 8

一句话总结

本研究通过在低至0.3 K的低温下施加高达45 T的高磁场，利用量子振荡研究了FeSe₁₋ₓSₓ中费米表面和准粒子性质的演化。结果表明，硫掺杂引起的化学压力单调地增大费米表面尺寸，尤其在外层能带中，且表现出轨道依赖的电子有效质量重正化——dxy轨道口袋的重正化增强，而dxz/yz轨道的则被抑制；与此同时，超导性减弱，暗示在这些体系中，向列序并非实现高温超导的关键因素。

ABSTRACT

We investigate the evolution of the Fermi surfaces and electronic interactions across the nematic phase transition in single crystals of FeSe1-xSx using Shubnikov-de Haas oscillations in high magnetic fields up to 45 tesla in the low temperature regime. The unusually small and strongly elongated Fermi surface of FeSe increases monotonically with chemical pressure, x, due to the suppression of the in-plane anisotropy except for the smallest orbit which suffers a Lifshitz-like transition once nematicity disappears. Even outside the nematic phase the Fermi surface continues to increase, in stark contrast to the reconstructed Fermi surface detected in FeSe under applied external pressure. We detect signatures of orbital-dependent quasiparticle mass renomalization suppressed for those orbits with dominant dxz=yz character, but unusually enhanced for those orbits with dominant dxy character. The lack of enhanced superconductivity outside the nematic phase in FeSe1-xSx suggest that nematicity may not play the essential role in enhancing Tc in these systems.

研究动机与目标

• 通过高磁场探测FeSe₁₋ₓSₓ中在向列量子相变附近的费米表面演化与电子相互作用。
• 确定硫掺杂引起的化学压力对费米表面拓扑结构和准粒子质量的影响。
• 评估向列序在铁基超导体中提升超导转变温度（Tc）的作用。
• 将FeSe₁₋ₓSₓ中化学压力的影响与FeSe在静水压下的行为进行比较，特别关注费米表面重构与Tc增强的机制。
• 探究轨道选择性关联与李夫希茨转变是否在电子相竞争中起关键作用。

提出的方法

• 在高达45 T的磁场下，利用FeSe₁₋ₓSₓ单晶，在低温（低至0.3 K）条件下进行舒布尼科夫-德哈斯量子振荡测量。
• 在国家高磁场实验室（NHMFL）和高场磁实验室（HFML）使用³He低温系统进行磁电输运测量。
• 采用快速傅里叶变换（FFT）和最大熵法（MEM）从振荡电阻率数据中提取频率谱。
• 基于先前的能带结构研究，通过将计算的正交相费米表面缩小超过150 meV，映射费米表面极值面积。
• 将观测到的量子振荡频率与轨道特征（dxy、dxz/yz）相关联，推断轨道依赖的准粒子质量重正化。
• 对费米表面截面进行线性外推，以估算x ≈ 1（FeS）附近的演化行为，并与理论预测比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 硫掺杂引起的化学压力如何改变FeSe₁₋ₓSₓ中费米表面的拓扑结构，尤其是在向列相变区域？
• RQ2 轨道选择性准粒子质量重正化在FeSe₁₋ₓSₓ的电子性质中起什么作用？其随x的变化如何演化？
• RQ3 通过化学压力抑制向列序是否会导致类似于FeSe在静水压下所观察到的费米表面重构？
• RQ4 如在压力下观察到高温超导性所示，向列序是否是FeSe基体系中提升Tc的必要条件？
• RQ5 轨道依赖的关联与可能的李夫希茨转变如何影响FeSe₁₋ₓSₓ的电子相图？

主要发现

• FeSe₁₋ₓSₓ的费米表面随硫含量x的增加而单调扩展，即使在向列相之外也如此，这与静水压下观察到的重构费米表面形成鲜明对比。
• 具有主要dxy轨道特征的外层电子能带表现出随x增加而增强的准粒子质量重正化，尤其在向列相之外更为显著。
• 具有混合dxz/yz轨道特征的外层空穴能带随x增加表现出准粒子质量重正化减弱，表明存在轨道选择性关联。
• 在最小费米表面轨道中观察到类似李夫希茨的转变，与向列序的消失相关，表明费米表面发生了拓扑变化。
• 尽管费米表面尺寸持续增大且存在轨道依赖的关联，但随着x的增加，超导Tc反而被抑制，表明向列序并非实现高温超导的主要驱动力。
• FeSe₁₋ₓSₓ中费米表面的演化与FeSe在低压力条件（低于10 kbar）下的行为高度相似，暗示高压下的高温超导性可能通过新的结构或磁相与向列态解耦。