[论文解读] Stripe antiferro-orbital ordering in the nematic state of FeSe

Matthew D. Watson, T. K. Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究提出FeSe的向列相中存在一种单向的向列键序排列机制，该机制得到角分辨光电子能谱（ARPES）的支持，显示空穴口袋出现四重对称性破缺，而电子口袋则无此现象。关键发现为$d_{xy}$与$d_{xz/yz}$能带发生分裂，但未达到分辨率极限，该现象通过10轨道紧束缚模型得以解释，从而重新定义了FeSe中向列性的起源，超越了轨道简并度解除的传统理解。

ABSTRACT

The lifting of $d_{xz}$-$d_{yz}$ orbital degeneracy is often considered a hallmark of the nematic phase of Fe-based superconductors, including FeSe, but its origin is not yet understood. Here we report a high resolution Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy study of single crystals of FeSe, accounting for the photon-energy dependence and making a detailed analysis of the temperature dependence. We find that the hole pocket undergoes a fourfold-symmetry-breaking distortion in the nematic phase below 90~K, but in contrast the changes to the electron pockets do not require fourfold symmetry-breaking. Instead, there is an additional separation of the existing $d_{xy}$ and $d_{xz/yz}$ bands - which themselves are not split within resolution. These observations lead us to propose a new scenario of unidirectional nematic bond ordering to describe the low-temperature electronic structure of FeSe, supported by a good agreement with 10-orbital tight binding model calculations.

研究动机与目标

• 为解决FeSe中向列性起源的未解之谜，特别是轨道有序在向列相中的作用。
• 探究$d_{xz}$-$d_{yz}$轨道简并度解除是否为FeSe中向列序的主要驱动力。
• 确定在向列转变温度（约90 K）以下，空穴和电子口袋的电子结构畸变性质。
• 检验传统轨道有序还是如键序等新机制更能解释观测到的电子对称性破缺。
• 利用10轨道紧束缚模型验证所提出的机制，该模型可重现观测到的ARPES数据。

提出的方法

• 在FeSe单晶上进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，通过改变入射光子能量以校正矩阵元效应。
• 对电子结构进行详细的温度依赖性分析，从300 K降至90 K，以识别向列序的起始温度。
• 分析空穴和电子口袋能带色散的演化，检测四重对称性破缺的畸变。
• 以亚毫电子伏特分辨率测量$d_{xy}$与$d_{xz/yz}$能带之间的分裂，评估轨道简并度是否被解除。
• 将实验ARPES数据与从头算的10轨道紧束缚模型计算结果进行比较，以检验理论一致性。
• 利用光子能量依赖性测量，将本征电子结构与实验伪影分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe的向列相是否在空穴和电子口袋中均表现出四重对称性破缺？
• RQ2 观测到的$d_{xy}$与$d_{xz/yz}$能带分裂是否与轨道简并度解除一致，还是指向其他机制？
• RQ3 若非传统轨道有序，FeSe中向列态的起源是什么？
• RQ4 与标准轨道有序模型相比，单向向列键序排列机制是否能更好地解释ARPES数据？
• RQ5 10轨道紧束缚模型计算在多大程度上能重现向列相中观测到的电子结构？

主要发现

• 在FeSe中，空穴口袋在90 K以下表现出四重对称性破缺畸变，表明电子结构中存在向列序。
• 电子口袋未显示四重对称性破缺，暗示向列畸变在费米面上并非均匀分布。
• $d_{xy}$与$d_{xz/yz}$能带在能量上发生分裂，但该分裂未在实验分辨率内被分辨，表明其为微弱的非简并性分裂。
• 观测到的分裂最合理的解释是单向向列键序机制，而非传统轨道有序。
• 10轨道紧束缚模型计算与ARPES数据高度一致，支持所提出的单向键序排列机制。
• 研究结果挑战了传统观点，即认为$d_{xz}$-$d_{yz}$轨道简并度解除是FeSe中向列性的标志。