[论文解读] Out-of-plane momentum and symmetry dependent superconducting gap in Ba0.6K0.4Fe2As2

Y. Zhang, L. X. Yang+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2010

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）揭示，Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的超导能隙表现出强烈的面外动量（k_z）依赖性以及与对称性相关的能隙大小。作者在Γ点附近识别出三条具有不同k_z色散特性的空穴型费米面，表明β能带的能隙随k_z显著变化，而具有不同空间对称性（奇/偶）的能带在相同面内动量下表现出不同的能隙大小，这挑战了二维理论模型，并凸显了三维电子结构与轨道对称性在铁基超导体中的重要性。

ABSTRACT

The three-dimensional band structure and superconducting gap of Ba0.6K0.4Fe2As2 are studied with high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy. In contrast to previous results, we have identified three hole-like Fermi surfaces near the zone center with sizable out-of-plane or kz dispersion. The superconducting gap on certain Fermi surface shows significant kz-dependence. Moreover, we found that the superconducting gap sizes are different at the same Fermi momentum for two bands with different spatial symmetries (one odd, one even). Our results provide further information on the rich superconducting gap structure in iron pnictides, and a distinct test for theories.

研究动机与目标

• 通过直接探测三维电子结构，解决铁基超导体中配对对称性和能隙结构长期存在的争议。
• 研究面外动量（k_z）色散对超导能隙的影响，该因素在以往的ARPES研究中基本未被探索。
• 确定轨道对称性和费米面拓扑结构如何影响能隙大小，特别是在多带、多轨道体系中。
• 将二维理论模型与揭示超导序参量强三维特性的实验数据进行对比，以检验其有效性。
• 建立Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中超导能隙的全面三维图像，包括对称性依赖性和k_z依赖性行为。

提出的方法

• 在不同光子能量下对高质量Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂单晶进行了高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以探测不同的k_z区域。
• 通过光子能量依赖的ARPES测量，实现了三维能带结构的重建，并映射了费米面的k_z色散特性。
• 提取费米能级处的动量分布曲线（MDCs），用于识别Γ点附近三条截然不同的空穴型费米面片。
• 采用拟合经验超导谱函数的方法对对称化能量分布曲线（EDCs）进行拟合，以提取不同k_z和动量点处的超导能隙值。
• 通过比较不同光子能量下的能隙值，分析了能隙的k_z依赖性，重点聚焦于表现出强烈变化的β能带。
• 采用修正的能隙函数Δ(k) = Δ₀|cos kₓ cos kᵧ|(1 + A cos k_z)对β能带的k_z依赖能隙进行拟合，得到参数Δ₀ ≈ 11.2 meV和A ≈ 0.24。

实验结果

研究问题

• RQ1 面外动量（k_z）依赖的超导能隙如何影响Ba₀.₆K₀.₄Fe₂As₂中的配对机制？
• RQ2 Γ点附近的空穴型费米面片的真实数量是多少？其k_z色散如何影响超导能隙？
• RQ3 为何具有不同空间对称性（奇/偶）的能带在相同面内动量下表现出不同的超导能隙大小？
• RQ4 所观测到的k_z依赖能隙行为能否由传统的s±配对对称性的二维模型解释？还是必须采用三维描述？
• RQ5 轨道特性与三维电子结构如何影响铁基超导体中能隙各向异性和配对对称性？

主要发现

• 在Γ点附近识别出三条空穴型费米面片，与以往仅报告两条费米面片的结论相矛盾。
• β能带上的超导能隙表现出强烈的k_z依赖性，其值随k_z变化从11.5 meV降至7 meV，表明序参量具有显著的三维特征。
• 在相同面内动量下，具有偶对称性的α能带（7 meV）与具有奇对称性的β能带（11.5–7 meV）表现出不同的能隙大小，证明了能隙的对称性依赖行为。
• β能带能隙的k_z依赖性无法仅通过面内费米面尺寸变化来解释，必须在能隙函数中引入k_z自由度。
• 采用修正的能隙函数Δ(k) = Δ₀|cos kₓ cos kᵧ|(1 + A cos k_z)，其中Δ₀ ≈ 11.2 meV且A ≈ 0.24，能成功拟合β能带的k_z依赖能隙。
• 研究结果挑战了二维理论模型，要求在铁基超导体的微观理论中引入面外配对通道和轨道对称性效应。