[论文解读] Observation of Dirac Cone Electronic Dispersion in BaFe2As2

P. Richard, K. Nakayama+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2009

Iron-based superconductors research被引用 12

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）在自旋密度波（SDW）转变温度（138 K）以下的BaFe2As2中识别出一个轻微各向异性的狄拉克锥。该狄拉克锥的顶点非常接近费米能级，产生微小的费米面口袋，且周围能带表现出节点型SDW能隙，表明母体化合物最宜被描述为具有内在拓扑电子特征的节点型SDW材料。

ABSTRACT

We performed an angle-resolved photoemission spectroscopy study of BaFe2As2, which is the parent compound of the so-called 122 phase of the iron-pnictide high-temperature superconductors. We reveal the existence of a Dirac cone in the electronic structure of this material below the spin-density-wave temperature, which is responsible for small spots of high photoemission intensity at the Fermi level. Our analysis suggests that the cone is slightly anisotropic and its apex is located very near the Fermi level, leading to tiny Fermi surface pockets. Moreover, the bands forming the cone show an anisotropic leading edge gap away from the cone that suggests a nodal spin-density-wave description.

研究动机与目标

• 解析铁砷化物超导体母相BaFe2As2中低能电子态的本质。
• 确定量子振荡实验推断出的微小费米面口袋是否源于费米面重构，或源于能带结构中的拓扑异常。
• 研究自旋密度波（SDW）序对电子色散关系和费米面拓扑结构的影响。
• 澄清所观测到的电子特征是否与节点型SDW模型一致，或与其他竞争模型（如交换能级分裂）相容。
• 建立拓扑能带特征（特别是狄拉克锥）与122型铁砷化物中非传统超导性出现之间的直接联系。

提出的方法

• 在25 K下原位劈裂高质量BaFe2As2单晶，并利用高能量（7–14 meV）和角度（0.2°）分辨率的角分辨光电子能谱（ARPES）进行测量。
• 测量温度范围为25 K至170 K，费米能级通过金标样进行校准。
• 数据分析基于由Fe晶格定义的未重构布里渊区，使用晶格常数a映射动量空间。
• 通过M点附近的切片能量分布曲线（EDCs）提取导带边缘能隙（LEG），并分析其角度依赖性（ω），以绘制能隙各向异性的图谱。
• 采用对称化EDCs和双电子强度图（2EIP）确认形成狄拉克锥的能带具有能隙特征。
• 构建理论模型以模拟Λ点附近的三维各向异性狄拉克锥，将顶点位置和能隙结构与实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TSDW以下，BaFe2As2的电子结构是否表现出狄拉克锥？若存在，其顶点相对于费米能级的位置如何？
• RQ2 在BaFe2As2中观测到的费米面口袋是否与拓扑狄拉克锥一致，或源于SDW序引起的费米面重构？
• RQ3 构成狄拉克锥的能带的能隙结构具有何种性质？是否支持节点型SDW描述？
• RQ4 狄拉克锥的各向异性和其能隙分布如何与观测到的光电子发射强度分布及费米面拓扑结构相关联？
• RQ5 所观测到的拓扑异常是否能解释量子振荡实验检测到的微小费米面口袋，尽管ARPES中未观测到大的空穴型口袋？

主要发现

• 在138 K以下的BaFe2As2中观测到一个具有轻微各向异性的色散关系的狄拉克锥，其位于动量空间的Λ点，顶点位置非常接近费米能级。
• 该狄拉克锥导致形成微小的费米面口袋，这在Γ–M线附近(0.75π, 0)处费米能级附近出现高强度光电子发射峰中得到证实。
• 构成该锥的能带表现出节点型自旋密度波能隙，导带边缘能隙随角度ω从0°增至25°而向更高结合能移动。
• 对称化EDCs和2EIP数据显示，狄拉克锥附近的两个电子态能带具有约50 meV和30 meV的能隙，分别对应约100 meV和60 meV的完整SDW能隙。
• 观测到的能隙值与光学测量结果（110 meV和45 meV）基本一致，支持节点型SDW模型。
• 狄拉克锥顶点对kz色散的敏感性表明，微小的kz依赖性位移可能解释量子振荡实验中观测到的一系列极小费米面口袋。