[论文解读] Identification of prototypical Brinkman-Rice Mott physics in a class of iron chalcogenides superconductors

X. H. Niu, S. D. Chen+18 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Iron-based superconductors research被引用 13

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）证明，在122*-系列铁硒化物中，尽管费米面保持不变，但同价掺杂导致带宽减小，驱动体系从金属相经超导相转变为莫特绝缘体相。结果揭示了一类典型的布林克曼-莱斯莫特物理行为，表明中等强度电子关联可增强这些无空穴口袋体系中的超导性。

ABSTRACT

The 122$^{*}$ series of iron-chalcogenide superconductors, for example K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$, only possesses electron Fermi pockets. Their distinctive electronic structure challenges the picture built upon iron pnictide superconductors, where both electron and hole Fermi pockets coexist. However, partly due to the intrinsic phase separation in this family of compounds, many aspects of their behavior remain elusive. In particular, the evolution of the 122$^{*}$ series of iron-chalcogenides with chemical substitution still lacks a microscopic and unified interpretation. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we studied a major fraction of 122$^{*}$ iron-chalcogenides, including the isovalently `doped' K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$, Rb$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$Te$_z$ and (Tl,K)$_x$Fe$_{2-y}$Se$_{2-z}$S$_z$. We found that the bandwidths of the low energy Fe extit{3d} bands in these materials depend on doping; and more crucially, as the bandwidth decreases, the ground state evolves from a metal to a superconductor, and eventually to an insulator, yet the Fermi surface in the metallic phases is unaffected by the isovalent dopants. Moreover, the correlation-driven insulator found here with small band filling may be a novel insulating phase. Our study shows that almost all the known 122$^{*}$-series iron chalcogenides can be understood {\it via} one unifying phase diagram which implies that moderate correlation strength is beneficial for the superconductivity.

研究动机与目标

• 解决122*-系列铁硒化物中缺乏空穴费米口袋的超导性微观起源这一未解之谜。
• 理解在无相分离和空穴掺杂条件下，电子关联与带宽演化的作用。
• 在单一相图下统一解释多种122*-系列化合物的电子行为。
• 确定所观察到的绝缘态是否为由中等强度电子关联驱动的新型莫特绝缘体。
• 建立带宽减小与关联电子体系中超导性出现之间的直接关联。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）探测KxFe2−ySe2−zSz、RbxFe2−ySe2−zTez和(Tl,K)xFe2−ySe2−zSz的电子结构。
• 通过系统调节同价掺杂元素（S、Te），在保持电子数和费米面拓扑结构不变的前提下调控带宽。
• 从掺杂系列中Fe 3d能带的色散关系提取带宽演化规律。
• 绘制基态（金属、超导或绝缘）随带宽变化的演化图。
• 分析数据以检测莫特物理的特征信号，包括绝缘相中费米能级处能隙的打开。
• 基于带宽和掺杂浓度构建统一相图，关联所有观测到的相。

实验结果

研究问题

• RQ1 同价掺杂如何影响122*-系列铁硒化物的带宽和电子结构？
• RQ2 尽管超导和绝缘行为发生变化，费米面在同价掺杂下是否保持不变？
• RQ3 所观察到的绝缘态是否可被识别为由中等强度电子关联驱动的莫特绝缘体？
• RQ4 是否存在一个统一相图，可解释这些材料中金属-超导体-绝缘体相变？
• RQ5 在无空穴口袋体系中，电子关联强度在增强超导性方面起何种作用？

主要发现

• Fe 3d能带的带宽随同价掺杂（S、Te）增加而系统性减小，表明动能降低。
• 尽管带宽减小，所有掺杂水平下费米面保持不变，表明电子口袋拓扑结构具有强鲁棒性。
• 随着带宽减小，基态从金属相演化为超导相再变为绝缘相，超导性在中等关联强度下出现。
• 低带填充下的绝缘态在费米能级处出现能隙，与莫特物理一致，表明其为一种新型关联驱动的绝缘体。
• 单一统一相图可解释122*-系列中所有观测相，带宽为关键调控参数。
• 结果表明，中等强度电子关联——即典型的布林克曼-莱斯莫特莫特物理特征——在这些铁硒化物中对超导性最为有利。