[论文解读] Specific heat of Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_{2}$As$_{2}$, and a new method for identifying the electron contribution: two electron bands with different energy gaps in the superconducting state

C. R. Rotundu, Thomas Forrest+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 40被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种针对铁基超导体Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$（T$_c$ = 36.9 K）比热数据的新型分析方法，直接提取电子贡献，无需依赖近似晶格贡献减去法。该方法揭示了两个具有不同能隙的电子能带，其能隙相差3.8倍，其中77%的电子态密度来自大能隙能带，挑战了传统模型，并表明存在强电子关联效应，且其观测到的有效质量增强无理论先例。

ABSTRACT

We report measurements of the specific heat of Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_{2}$As$_{2}$, an Fe-pnictide superconductor with $T_c$ = 36.9 K, for which there are suggestions of an unusual electron pairing mechanism. We use a new method of analysis of the data to derive the parameters characteristic of the electron contribution. It is based on comparisons of $α$-model expressions for the electron contribution with the total measured specific heat, which give the electron contribution directly. It obviates the need in the conventional analyses for an independent, necessarily approximate, determination of the lattice contribution, which is subtracted from the total specific heat to obtain the electron contribution. It eliminates the uncertainties and errors in the electron contribution that follow from the approximations in the determination of the lattice contribution. Our values of the parameters characteristic of the electron contribution differ significantly from those obtained in conventional analyses of specific-heat data for five similar hole-doped BaFe$_{2}$As$_{2}$ superconductors, which also differ significantly among themselves. They show that the electron density of states is comprised of contributions from two electron bands with superconducting-state energy gaps that differ by a factor 3.8, with 77$\%$ coming from the band with the larger gap. The variation of the specific heat with magnetic field is consistent with extended $s$-wave pairing, one of the theoretical predictions. The relation between the densities of states and the energy gaps in the two bands is not consistent with a theoretical model based on interband interactions alone. Comparison of the normal-state density of states with band-structure calculations shows an extraordinarily large effective mass enhancement, for which there is no precedent in similar materials and no theoretical explanation.

研究动机与目标

• 开发一种更精确的方法，以在不依赖近似晶格贡献减去法的前提下，从超导体的比热测量中分离出电子贡献。
• 解决传统分析方法在类似空穴掺杂BaFe$_2$As$_2$超导体中提取电子参数时存在的不一致性。
• 研究Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$的电子结构和配对对称性，特别是多重超导能隙的存在。
• 检验观测到的能隙与态密度关系是否与基于电子间相互作用的现有理论模型一致。

提出的方法

• 作者引入一种基于α-模型的分析方法，将理论表达式中的电子贡献直接与总测量比热进行比较。
• 该方法避免了对晶格贡献进行独立且近似的确定，而这是传统分析中主要的误差来源。
• 电子贡献通过将α-模型直接拟合到总比热数据中直接获得，从而最小化系统性不确定度。
• 该分析利用温度和磁场依赖的比热测量，提取超导能隙参数和态密度。
• 该方法使观测到的比热行为与扩展s波配对的理论预测能够直接比较。
• 它可通过将数据拟合到双能隙模型，实现对具有不同能隙的多个电子能带的识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过一种新的比热数据分析方法，消除在超导材料中减去近似晶格贡献所带来的不确定性？
• RQ2 Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$中的电子态密度性质如何？其是否支持多重超导能隙？
• RQ3 观测到的态密度与能隙之间的关系是否与基于电子间相互作用的理论模型一致？
• RQ4 在正常态中观测到的异常大的有效质量增强的起源是什么？其与能带结构计算相比如何？
• RQ5 比热的磁场依赖性是否支持这种铁基超导体中存在扩展s波配对对称性？

主要发现

• 该新分析方法成功地在不依赖近似晶格减去法的前提下分离出电子贡献，减少了参数提取中的系统性误差。
• Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$中的电子态密度来自两个具有不同能隙的电子能带，其能隙相差3.8倍。
• 77%的电子态密度贡献来自具有较大能隙的能带。
• 比热的磁场依赖性与扩展s波配对对称性一致，支持了该材料的一个理论预测。
• 在两个能带中观测到的态密度与能隙之间的关系与仅基于电子间相互作用的理论模型不一致。
• 正常态的态密度表现出异常大的有效质量增强，这种现象在类似材料中无先例，且缺乏理论解释。