[论文解读] Orbital selective correlations between nesting/scattering/Lifshitz transition and the superconductivity in AFe1-xCoxAs (A=Li, Na)

Z. R. Ye, Y. Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

Iron-based superconductors research被引用 8

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）揭示，AFe₁₋ₓCoₓAs（A=Li, Na）中的超导性具有轨道选择性：仅当 $d_{xz}$/$d_{yz}$ 费米面口袋之间发生嵌套时，超导性才会增强，而涉及 $d_{xy}$ 轨道的嵌套则不会。当这些轨道经历自旋态转变（Lifshitz transition）变为电子口袋时，超导性完全消失；此外，$d_{xz}$/$d_{yz}$ 轨道对钴掺杂引起的散射表现出显著的鲁棒性，解释了该材料对掺杂的高容忍度。

ABSTRACT

The correlations between the superconductivity in iron pnictides and their electronic structures are elusive and controversial so far. Here through angle-resolved photoemission spectroscopy measurements, we show that such correlations are rather distinct in AFe$_{1-x}$Co$_x$As (A=Li, Na), but only after one realizes that they are orbital selective. We found that the superconductivity is enhanced by the Fermi surface nesting, but only when it is between $d_{xz}/d_{yz}$ Fermi surfaces, while for the $d_{xy}$ orbital, even nearly perfect Fermi surface nesting could not induce superconductivity. Moreover, the superconductivity is completely suppressed just when the $d_{xz}/d_{yz}$ hole pockets sink below Fermi energy and evolve into an electron pocket. Our results thus establish the orbital selective relation between the Fermiology and the superconductivity in iron-based superconductors, and substantiate the critical role of the $d_{xz}/d_{yz}$ orbitals. Furthermore, around the zone center, we found that the $d_{xz}/d_{yz}$-based bands are much less sensitive to impurity scattering than the $d_{xy}$-based band, which explains the robust superconductivity against heavy doping in iron-based superconductors.

研究动机与目标

• 解决铁基超导体中费米面拓扑结构在超导性中作用的长期争议。
• 确定不同轨道是否在超导配对媒介中扮演不同角色，特别是与嵌套、Lifshitz转变及杂质散射的关系。
• 通过探测轨道特异性电子响应，阐明为何尽管存在强无序，AFe₁₋ₓCoₓAs中的超导性对重钴掺杂具有鲁棒性。

提出的方法

• 在高质量LiFe₁₋ₓCoₓAs和NaFe₁₋ₓCoₓAs单晶上，采用高能量和动量分辨率的角分辨光电子能谱（ARPES）。
• 使用混合极化和线性极化，以增强测量谱强度图中轨道特征的识别。
• 系统研究多种成分（如LC17、NC4.5、NC32）的掺杂演化，追踪费米面变化和超导能隙演化。
• 通过分析谱线宽（半高全宽，FWHM），量化轨道依赖的杂质散射效应。
• 将核磁共振自旋晶格弛豫率与之比较，以评估磁涨落和配对对称性。
• 通过ARPES数据重建能带结构，识别轨道特异性费米面嵌套和Lifshitz转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米面嵌套是否普遍增强铁砷化物中的超导性，还是具有轨道依赖性？
• RQ2 当 $d_{xz}$/$d_{yz}$ 空穴口袋经历Lifshitz转变进入电子口袋时，超导性会发生什么变化？
• RQ3 尽管存在强无序，为何AFe₁₋ₓCoₓAs中的超导性对重钴掺杂具有鲁棒性？
• RQ4 不同轨道（$d_{xy}$、$d_{xz}$、$d_{yz}$）对杂质散射的响应如何？这是否能解释观测到的掺杂容忍性？
• RQ5 铁砷化物中的超导配对机制是否与KₓFe₂₋ySe₂等铁硒化物根本不同？

主要发现

• 仅当 $d_{xz}$ 和 $d_{yz}$ 费米面口袋之间实现完美嵌套时，超导性才被最大化，如NaFe₁₋ₓCoₓAs中 $T_C$ ~ 18 K 所示。
• 即使在LiFe₀.₈₃Co₀.₁₇As中 $d_{xy}$ 费米面口袋之间实现完美嵌套，也无法诱导超导性，证明了轨道选择性。
• 当 $d_{xz}$/$d_{yz}$ 空穴口袋下移至费米能级以下并演化为电子口袋时，超导性完全被抑制，表明Lifshitz转变是关键控制点。
• $d_{xz}$/$d_{yz}$ 基态能带在钴掺杂下表现出最小的展宽（FWHM），表明对杂质散射具有极强的抗性，而 $d_{xy}$ 基态的 $\gamma$ 能带则显著展宽。
• $d_{xy}$ 能带的线宽随掺杂显著增加，而 $\alpha$ 和 $\beta$ 能带（来自 $d_{xz}$/$d_{yz}$）基本保持不变，证实了轨道选择性散射效应。
• 尽管在LC9（Tc < 5 K）中出现了微小的 $\kappa$ 能带，但超导性仍持续存在，表明其他费米面片上存在残余配对，但 $\kappa$ 能带进一步扩大并未增强超导性。