[论文解读] Fermi surface of superconducting LaFePO determined by quantum oscillations

A. I. Coldea, J. D. Fletcher+8 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Jul 30, 2008

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究利用高达45 T的高磁场中量子振荡，测绘了铁基超导体LaFePO的费米面，揭示出具有近乎嵌套电子和空穴口袋的准二维结构。准粒子质量增强了约2倍，表明存在强烈的多体相互作用，并接近自旋/电荷密度波不稳定态，这与使用实验测得晶格参数的能带结构计算结果一致。

ABSTRACT

We report extensive measurements of quantum oscillations in the normal state of the Fe-based superconductor LaFePO, (Tc ~ 6 K) using low temperature torque magnetometry and transport in high static magnetic fields (45 T). We find that the Fermi surface is in broad agreement with the band-structure calculations with the quasiparticle mass enhanced by a factor ~2. The quasi-two dimensional Fermi surface consist of nearly-nested electron and hole pockets, suggesting proximity to a spin/charge density wave instability.

研究动机与目标

• 利用量子振荡确定铁基超导体LaFePO的详细费米面拓扑结构。
• 研究准粒子质量增强及其在多体相互作用中的起源。
• 评估费米面嵌套程度及其对自旋/电荷密度波不稳定性的意义。
• 将实验测得的费米面特征与使用实验晶格参数的能带结构计算结果进行比较。
• 理解电子掺杂及结构细节（如P原子位置）在电子结构形成中的作用。

提出的方法

• 采用低温扭矩磁力仪测量单晶LaFePO在高达45 T磁场下的德哈斯-范阿尔芬（dHvA）量子振荡。
• 进行舒布尼克夫-德哈斯（SdH）输运测量，以交叉验证dHvA频率和振幅数据。
• 对振荡信号进行快速傅里叶变换（FFTs），以提取dHvA频率，其与费米面极值截面面积通过昂萨格关系相关联。
• 测量dHvA频率的角依赖性，以重建三维费米面形状并验证其准二维特性。
• 使用实验测得的晶格参数（包括P原子位置）进行能带结构计算，以与观测到的费米面特征进行比较。
• 基于dHvA频率和振幅数据，通过有效质量与能带质量之比估算准粒子质量增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导LaFePO的费米面详细拓扑结构是什么？与能带结构预测相比如何？
• RQ2 由于多体相互作用，准粒子质量增强了多少？其增强量级是多少？
• RQ3 电子和空穴费米面口袋是否近乎嵌套？这对电子不稳定性意味着什么？
• RQ4 结构细节（如P原子位置）如何影响实验结果与能带结构计算结果的一致性？
• RQ5 观测到的费米面体积不平衡的来源是什么？其与电子掺杂或氧非化学计量的关系如何？

主要发现

• LaFePO的费米面由四片准二维电子态组成：在M点附近存在两个紧密分裂的电子口袋，以及在Γ点附近的两个空穴口袋，其dHvA频率分别为~1 kT和~1.5 kT。
• 与能带质量相比，准粒子质量增强了约2倍，表明存在显著的多体相互作用。
• 电子和空穴费米面口袋具有几乎相同的形状和尺寸，表明存在强嵌套性，并接近自旋/电荷密度波不稳定态。
• 使用实验测得的P原子位置进行的能带结构计算最能复现观测到的费米面特征，而非使用弛豫结构。
• 约0.03个电子/化学式单位的体积不平衡归因于氧非化学计量（约1.5%的缺乏），导致轻微的电子掺杂。
• 由dHvA质量估算的电子比热系数（γ）约为6 mJ/mol K²，与实验值的下限一致，表明三维口袋的贡献可忽略。