[论文解读] Simultaneous emergence of superconductivity, inter-pocket scattering and nematic fluctuation in potassium-coated FeSe superconductor

Zhiyi Ye, C. F. Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 30被引用 28

一句话总结

本研究揭示，在钾掺杂的FeSe单晶中，超导性、电子口袋间的散射以及向列性涨落共存并同时出现。通过原位蒸发钾来调控掺杂浓度，作者发现当李兹希茨（Lifshitz）拓扑相变使得电子口袋间实现散射时，超导性恰好出现；同时，在较宽的掺杂范围内，向列性涨落依然强烈，表明这些现象在电子掺杂的铁基超导体FeSe中存在深层次关联。

ABSTRACT

Superconductivity originates from pairing of electrons. Pairing channel on Fermi surface and pairing glue are thus two pivotal issues for understanding a superconductor. Recently, high-temperature superconductivity over 40 K was found in electron-doped FeSe superconductors including K$_x$Fe$_{2-y}$Se$_2$, Li$_{0.8}$Fe$_{0.2}$OHFeSe, and 1 monolayer FeSe thin film. However, their pairing mechanism remains controversial. Here, we studied the systematic evolution of electronic structure in potassium-coated FeSe single crystal. The doping level is controlled precisely by in situ evaporating potassium onto the sample surface. We found that the superconductivity emerges when the inter-pocket scattering between two electron pockets is turned on by a Lifshitz transition of Fermi surface. The nematic order suppresses remarkably at the same doping and strong nematic fluctuation remains in a wide doping range of the phase diagram. Our results suggest an underlying correlation among superconductivity, inter-pocket scattering, and nematic fluctuation in electron-doped FeSe superconductors.

研究动机与目标

• 研究在受控掺杂条件下，钾涂层FeSe单晶中电子结构的演化。
• 确定电子口袋间散射与向列性涨落在超导性出现过程中的作用。
• 阐明费米面拓扑结构、配对机制与向列序在电子掺杂FeSe中的关联。
• 解决关于高Tc FeSe基超导体中配对机制的长期争议。

提出的方法

• 采用原位钾蒸发技术精确控制FeSe单晶的掺杂水平。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘电子结构与费米面拓扑。
• 分析掺杂依赖的费米面嵌套性与电子口袋间散射的演化。
• 通过电子结构中的谱权重与各向异性探测向列性涨落强度。
• 识别李兹希茨转变是触发电子口袋间散射的关键拓扑变化。
• 基于掺杂依赖的ARPES数据构建相图，揭示了超导性、散射与向列性的共存区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种掺杂浓度下，钾掺杂FeSe中出现超导性？该转变伴随哪些电子结构变化？
• RQ2 在电子掺杂FeSe中，电子口袋间散射如何与超导性的出现相关联？
• RQ3 在超导转变附近，向列性涨落持续存在到何种程度？它们与费米面拓扑结构有何关联？
• RQ4 是否存在李兹希茨转变与该体系中超导性出现之间的直接关联？
• RQ5 向列序与涨落在高Tc FeSe超导体的配对机制中起何种作用？

主要发现

• 在K掺杂FeSe中，超导性恰好在李兹希茨转变使电子费米口袋间实现散射时出现。
• 电子口袋间散射的出现与超导性的出现同步，表明该散射过程与库珀对形成存在直接关联。
• 即使长程向列序被抑制，向列性涨落在较宽的掺杂范围内仍保持强烈。
• 超导性、电子口袋间散射与向列性涨落的共存表明这些竞争与共存序之间存在强烈关联。
• ARPES测量证实费米面拓扑结构随掺杂连续演化，且超导性的临界掺杂浓度与拓扑转变一致。
• 结果支持一种情景：电子口袋间散射与向列性涨落是电子掺杂FeSe中高Tc配对机制的内在组成部分。