[论文解读] Fermi surface shrinking and interband coupling in iron-based pnictides

Luciano Ortenzi, E. Cappelluti+2 more|ArXiv.org|Mar 2, 2009

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

该论文解释了铁基砷化物中观测到的费米面收缩现象——即空穴和电子能带相对于LDA预测发生位移——是由于由多带系统中粒子-空穴不对称性驱动的、通过延迟玻色子模式介导的强互带耦合所致。这种耦合导致空穴和电子口袋的能带位移符号相反，直接证明了主导的互带散射，估算的互带耦合强度为 V ≈ 0.46 eV。

ABSTRACT

Recent measurements of Fermi surface with de Haas-van Alphen oscillations in LaFePO showed a shrinking of the Fermi pockets with respect to first-principle LDA calculations, suggesting an energy shift of the hole and electrons bands with respect to LDA. We show that these shifts are a natural consequence of the strong particle-hole asymmetry of electronic bands in pnictides, and that they provide an indirect experimental evidence of a dominant interband scattering in these systems.

研究动机与目标

• 解决铁基砷化物中LDA计算与实验测量的费米面面积之间长期存在的差异。
• 确定在德哈斯-范阿尔芬（dHvA）测量中观测到的能带位移——空穴能带向下移动，电子能带向上移动——的起源。
• 确定在这些多带超导体中，是互带散射还是内带散射占主导地位。
• 量化粒子-空穴不对称性在产生有限能带自能效应中的作用，这些效应可导致能带位移而不破坏粒子-空穴对称性。

提出的方法

• 基于多带艾利阿什伯格理论的理论框架，引入延迟电子-玻色子耦合，使用Matsubara自能方程。
• 引入具有局域传播器 D(ωₗ) = ∫dΩ 2ΩB(Ω)/(Ω² + ωₗ²) 的延迟玻色子模式，以模拟自旋涨落类相互作用。
• 通过 T∑ₘ,ᵦ Vₐ,ᵦ D(ωₙ - ωₘ)Gᵦ(iωₘ) 求解自能修正 Σₐ(iωₙ)，考虑非半满、非对称能带。
• 使用解析延拓（Marsiglio-Schöcksmann-Carbotte）方法计算谱函数并可视化费米面位移。
• 将LDA能带结构按因子2进行调整，以匹配角分辨光电子能谱（ARPES）中的能带宽度重正化，随后重新计算能带位移与耦合强度。
• 将理论费米面面积与能带色散同dHvA和ARPES数据进行比较，以验证模型预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何dHvA测量显示铁基砷化物中费米面口袋相较于LDA预测出现收缩？
• RQ2 实验中观测到的相反符号能带位移（空穴能带向下，电子能带向上）的微观起源是什么？
• RQ3 在决定费米面拓扑结构与能带重正化的过程中，互带散射是否主导于内带散射？
• RQ4 多带系统中的粒子-空穴不对称性如何导致有限能带自能效应，使能带发生位移而不依赖于粒子-空穴对称性？

主要发现

• 观测到的铁基砷化物中费米面收缩自然源于通过延迟玻色子模式介导的互带耦合，而非LDA的不准确。
• 估算的互带耦合强度为 V ≈ 0.46 eV，与dHvA和比热测量结果一致，对应质量增强因子 m* / mₑ ≈ 1.6–3.2。
• 该模型重现了实验中空穴与电子能带在费米能级附近相互靠近的趋势，与122型化合物的ARPES观测一致。
• 由于粒子-空穴不对称性导致的有限能带自能效应持续存在于玻色子能量尺度 ω₀ 之外，解释了能量依赖的能带位移。
• ARPES中观测到的电子能带色散中的“台阶”结构由延迟相互作用解释，该作用在 ω₀ 附近引起动量依赖的重正化。
• ARPES中观测到的能带宽度缩小（因子为2）通过重新标定LDA能带结构得以解释，从而得到一致的耦合与质量参数。