[论文解读] Neutron scattering patterns show Superconductivity in FeTe0.5Se0.5 likely results from itinerant electron fluctuations

H. A. Mook, M. D. Lumsden+9 more|ArXiv.org|Apr 14, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 18被引用 7

一句话总结

在FeTe0.5Se0.5中的中子散射测量表明，超导性源于巡游电子涨落，而非磁序。数据表明在Tc以上和以下均存在广泛的近(π,π)跃迁，表明这些涨落强烈促进配对，而精确的(π,π)跃迁在Tc以下产生窄共振，支持一种由共存电子和空穴费米面系统中的电子动力学驱动的配对机制。

ABSTRACT

The discovery of the Fe pnictide superconductors generated great interest as the structure consists of planes of a magnetic material quite similar to the cuprate superconductors. Fe(Te0.5Se0.5) is a particularly simple system whose planes are isostructural to the FeAs layers found in the originally discovered superconductors of this type. We report here neutron scattering measurements on this material that provide an understanding of the superconductivity. Since the information about the Fermi surface is available both from photoemission and band structure calculations for FeTe, FeSe and other related materials the neutron spectra can be used to see if the itinerant electron picture is valid. The results are consistent with a picture where there are both electron and hole Fermi surfaces that make exact (pi,pi) transitions possible. This would normally favor either a spin or charge density wave state. However, our measurements show the extent of the region where (pi,pi) transitions take place and demonstrate that there are a much larger number of transitions near pi,pi). The near (pi,pi) transitions are observed both above and below Tc and are expected to be strongly pairing. The superconductivity can be attributed to these excitations while the exactly (pi,pi) transitions produce the narrow resonance excitation that appears below Tc.

研究动机与目标

• 确定FeTe0.5Se0.5中超导性的微观起源，这是一种与铁砷化物超导体具有结构相似性的简单铁族硫属化物。
• 检验超导态是否源于巡游电子涨落，而非局域磁矩或自旋密度波序。
• 利用中子散射探测自旋激发，并评估在共存电子和空穴费米面系统中巡游电子图像的有效性。
• 确定(π,π)动量转移在超导配对发展及Tc以下尖锐共振形成中的作用。

提出的方法

• 在单晶FeTe0.5Se0.5上进行非弹性中子散射，以映射动量空间中的自旋激发谱。
• 分析散射强度随动量转移(Q)和能量(ω)的变化，特别关注(π,π)区域。
• 将观测到的中子散射图案与巡游电子系统（特别是具有嵌套电子和空穴费米面的系统）的理论预期进行比较。
• 研究自旋激发在超导转变温度Tc以上和以下的演化，以识别与配对相关的涨落。
• 利用能带结构计算和角分辨光电子能谱数据，校准费米面拓扑结构和嵌套条件的解释。
• 识别出在Tc以下(π,π)处存在一个尖锐共振，特征为自旋通道中能隙的打开。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeTe0.5Se0.5中(π,π)动量转移附近的自旋激发是否支持巡游电子配对机制？
• RQ2 Tc以上和以下的中子散射图案如何反映该铁基超导体中电子关联和配对的本质？
• RQ3 在(π,π)附近观测到的自旋激发在多大程度上对应于配对涨落，而非自旋或电荷密度波等竞争序？
• RQ4 在Tc以下(π,π)处出现的尖锐共振是否与由巡游电子涨落驱动的超导态一致？
• RQ5 FeTe0.5Se0.5中电子和空穴费米面的共存是否可与观测到的近(π,π)跃迁增强相关联？

主要发现

• 中子散射揭示，在Tc以上和以下，(π,π)动量转移附近均存在自旋激发的广泛增强，表明存在强烈的配对涨落。
• 近(π,π)跃迁的强度显著大于精确(π,π)跃迁的强度，表明配对由非嵌套涨落驱动。
• 在Tc以下，精确(π,π)处出现一个尖锐共振，与自旋通道中能隙的形成一致。
• 数据与自旋密度波基态不一致，因为(π,π)峰在Tc以上并不占主导地位，且未表现出预期的软化行为。
• 观测到的自旋激发谱支持一种巡游电子图像，其中超导性源于嵌套电子和空穴费米面上巡游电子的集体涨落。
• 在Tc以上强近(π,π)散射的持续存在表明，配对涨落已预先形成，并非仅由超导性的出现所诱导。