鉄系超伝導体,強相関物質の放射光ARPES

2014年1月30日 山形大学

吉田 鉄平

京都大学大学院人間・環境学研究科

研究科紹介京都大学大学院 人間・環境学研究科

自然科学系 （物理系、化学系、地学系、生物系）大学院入試 年２回（９月、２月）

総合人間学部 人間・環境学研究科

共生人間学専攻

共生文明学専攻

相関環境学専攻

自然と人間の共生

Outline

鉄系超伝導体

• 元素置換はキャリアドープになっているか？

• 超伝導ギャップの異方性：ノードの存在クーパー対の引力起源は？

強相関物質

• SrVO3の自己エネルギー解析

鉄系超伝導体の元素置換効果

Ba(Fe1-xTx)2As2T= Co, Ni, CuS. Ideta, T. Y. et al., Phys. Rev. Lett. 110, 107007 (2013).T= Zn S. Ideta, T. Y. et al., Phys. Rev. B 87, 201110(R) (2013).T= MnH. Suzuki, T. Y. et al., Phys. Rev. B 88, 100501(R) (2013).

Photoemission, XASS. Ideta, H. Suzuki, I. Nishi, G. Shibata, K. Ishigami, T. Kadono, A. Fujimori,T. Shimojima, K. Ishizaka,

University of TokyoW. Malaeb, S. Shin* (ISSP)M. Hashimoto, D. H. Lu, Z.-X. Shen, Stanford UniversityE. Sakai, Y. Kotani, H. Kumigashira, K. Ono KEK-PFH. Anzai, Y. Nakashima, M. Arita, A. Ino*, H. Namatame, M. Taniguchi Hiroshima U, HiSORSamplesS. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda Kyoto UM. Nakajima, S. Uchida University of TokyoH. Eisaki, K. Kihou, A. Iyo, T. Ito, C. H. Lee, Y. Tomioka

AISTY. Nakashima, S. Yamaichi, M. Matsuo, T. Sasagawa

Tokyo Institute of TechnologyTheoryR. Arita (University of Tokyo) H. Ikeda (Kyoto U)

Collaborators

C. H. Lee et al., JPSJ (2008).

E. Pavarini et al., PRL (2001).

K. Kuroki et al., PRB (2009).

銅酸化物と鉄系超伝導体

銅酸化物 鉄系超伝導体

金属金属金属

モット絶縁体（反強磁性）

金属（反強磁性）

超伝導超伝導

超伝導

擬ギャップ

ホール量電子量 ホール量電子量

CuO2面

CuO2面

CuO2面

FeAs面

FeAs面

鉄系超伝導体の相図

電子ドープ ホールドープ

等原子価置換

Ba(Fe1-xCox)2As2

BaFe2(As1-xPx)2

Ba1-xKxFe2As2

不純物効果？

ノードのある超伝導？

鉄系超伝導体の不純物効果

Fukuzumi et al. PRL 96’Nakajima et al., arXiv 13

銅酸化物 鉄系超伝導体

不純物に強い超伝導？

銅酸化物と鉄系超伝導体： バンド分散、フェルミ面

H. Shishido et al, PRL ’10.

K. Kuroki et al., PRL ‘08

H. Sakakibara et al., PRL ‘09

Cuprates

holeelectron

Single bandMulti band

スピン揺らぎを媒介とした超伝導

Theoretical prediction of line-node in SC gap

Kuroki et al., PRB ’09.

秩序パラメータの符号反転

不純物置換に弱い超伝導

hole

electron

hole hole

electron electron

hole

electron electron electron

Re (q)

I. Mazin et al., PRL ‘08Fe

PnZ

Pnictogen height Z

Transition metal substitution in BaFe2As2

Fe Co e-

Fe Ni2e-

Ba(Fe1-xTx)2As2 (T = Co, Ni, Cu, Zn)

x 2x 3x

Fe Cu 3e-

Are doped electrons working as carriers ?

Extra electronsper Fe/TM site

Electron doping Hole doping

Fe Zn4e-

4x

Experimental condition of ARPESPhoton Factory (PF) BL-28A

•Photon energy h = 33-50 eV•Measuring temperature T= 9, 35 K•Scienta analyzer SES-2002•Energy resolution ~7-10 meV•Angular resolution ~0.2º

PF BL-28A

HiSOR BL-9A

•Photon energy h = 10-34 eV•Measuring temperature T= 9, 35 K•Scienta analyzer SES-R4000•Energy resolution ~6-9 meV•Angular resolution ~0.2º

HiSOR BL-9A

Tc and TN of T-Ba122

Canfield et al., PRB ‘09.Ni et al., PRB ‘10.

Ba(Fe1-xTx)2As2 (T = Co, Ni, Cu)

Are doped electrons working as carriers ?

Band structure calculation (Supercell)

H. Wadati et al., PRL ’10. S. Konbu et al., JPSJ ’11.

Rigid-band model ?Doped electrons are localized ?

Valence band spectra of Ni-122 and Cu-122

S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.

Fermi surface of Ba(Fe1-xTx)2As2

S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.

T= Ni T= Cu

holeelectron

Carrier number estimated from FS volume

Part of the doped electrons do not contribute to the formation of FSs.

S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.

nh: hole carriernel: electron carrier

Tc and TN plotted as a function of nel -nh

Phase diagrams for different transition metalsubstitution accord with each other. S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.

Valence‐band spectra of Zn‐Ba122

H. Wadati et al., PRL ‘11.

TN~140 K

Zn 3d level~ 10 eV below EF

Ba(Fe1-xZnx)2As2

S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.

Fermi surface and band dispersions of Zn‐Ba122

Folded FSs and band dispersions have been observed. S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.

Fermi surface in the k//‐kz plane

Shapes of the FSs for different doping level are nearly the same.

x=0.08 x=0.25

S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.

Density of states for T‐Ba122

Total electronnumber

6 6+x 6+4x

10(1-x)1010

10x

S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.

Phase diagram of Mn-122Ba(Fe1-xMnx)2As2

M.G. Kim et al. PRB 83 054514 (2011)

A. Thaler et al. PRB 84 144528 (2011)

x<0.74

x>0.74

Partial Density of States of Mn3d orbitals

Mn PDOS is distributedaround EB=2~12eV

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

H. Suzuki, T. Y. et al., PRB ‘13.

Partial density of states

Emergence of local magnetic moments due to on-site Coulomb potential U and Hund coupling J

H. Suzuki, T. Y. et al., PRB ‘13.

Outline

鉄系超伝導体

• 元素置換はキャリアドープになっているか？

• 超伝導ギャップの異方性：ノードの存在クーパー対の引力起源は？

強相関物質

• SrVO3の自己エネルギー解析

鉄系超伝導体の超伝導ギャップ、ペアリング対称性

T. Yoshida et al., arXiv:1301.4818.

H. Ding et al., EPL ‘08

s-波的超伝導ギャップ

s-wave-like full gap superconductivity?

s++ ?s+- ?

Ba1-xKxFe2As2 x=0.4

Superconducting gap in iron pnictide superconductorss-wave-like full gap

H. Ding et al.,EPL ’08

Octed line node

K. Okazaki et al.,Science ’12

KFe2As2(Ba,K)Fe2As2

Tc~ 4K

Tc~ 37K

等原子価置換 BaFe2（As1-xPx）2

S.Kasahara et al., PRB ‘10.

•Number of Fe 3d electronis constant.

•Pnictogen height hPndecreases.

BaFe2As2 BaFe2P2

H. Shishido et al, PRL ’10.

Phase diagram of BaFe2(As1-xPx)2

T. Yoshida et al., PRL ‘11

BaFe2(As1-xPx)2

K. Suzuki et al., JPSJ ‘11

鉄系超伝導体の超伝導ギャップ水平ノード＠ホールフェルミ面

I. Mazin et al., PRB ‘10

ループノード＠電子面

運動量空間のどこにノードが存在する？

ほとんどの物質ではs-波BaFe2(As,P)2などはノード（節）の存在が示唆されている。

超伝導秩序変数

ホール面

電子面

ノード

SC gap of BaFe2(As1-xPx)2 in the hole FSs

T. Shimojima et al., Science `11.

Laser ARPES

Horizontal node is unlikely ?

SC gap of BaFe2(As1-xPx)2

K. Suzuki et al., JPSJ ‘11

Y. Zhang et al.,Nature Physics `12.

Horizontal node ?x= 0.30

Isotropic gap in the electron FSs

Superconducting gap for hole FSs around the Z point

Pseudogap (cf. S. Kasahara et al., Nature ‘12.)

h= 35eVIn

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Clear gap at low T x= 0.30, Tc=30 K

Inplane anisotropy for hole FS

h= 35eV

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Symmetrized EDCs Superconducting peak Gap anisotropy

Isotropic SC gap coexists with pseudogap

x= 0.30, Tc=30 K

kz dependence of the SC gaps for the hole FSs

x= 0.30, Tc=30 K

Inner FSMiddle FSOuter FS

SC gap in the electron FSs of BaFe2(As1-xPx)2

x= 0.30, Tc=30 K h=40 eV

SC gap in the electron FSs of BaFe2(As1-xPx)2

x= 0.35, Tc=28 K h=22 eV

Hole FSs

Summary of the observed SC gap

outer hole FS

Electron FSs

kz dependence

Spin fluctuation mechanismTheoretical prediction of line-node in SC gap

Kuroki et al., PRB ’09.

Absence of xy FS

Node in SC gap

Spin fluctuation mechanism

Three hole FSs are observed.

Orbital fluctuationsSC order parameter determined by ARPES Loop node in the electron FS

Hole FSs

Electron FSs

Saito, Onari, Kontani et al., PRB 13

Summary (Iron-based superconductor)

We have performed an ARPES study of the iron pnictide superconductors.

• Impurity effects in Ba(Fe1-xTx)2As2

Deviation from rigid-band model

• Nodal superconductivityin BaFe2(As1-xPx)2

Loop-like node in the electron FS ?

Orbital fluctuation is required to explain the observed gap anisotropy.

Outline

鉄系超伝導体

• 元素置換はキャリアドープになっているか？

• 超伝導ギャップの異方性：ノードの存在クーパー対の引力起源は？

強相関物質

• SrVO3の自己エネルギー

強相関電子系SrVO3の自己エネルギー

S. Aizaki et al., Phys. Rev. Lett. 109, 056401 (2012).

共同研究者

相崎真一，滝沢優, 出田真一郎，藤森淳 東大理

吉松公平，蓑原誠人，堀場弘司*，尾嶋正治* 東大工

K. Gupta, P. Mahadevan S. N. Bose研究所

組頭広志* 高エネ研PF

Electronic structure of SrVO3dHvA

SrVO3 ( d1)

kx

kykz

dxy

dyz

dzxI. H. Inoue et al., PRL ‘02.

T. Yoshida et al., PRB ’10.

M. Takizawa et al.,PRB ’09.

T. Yoshida et al., PRB ’10.

ARPES Bulk SVO Thin film SVO

IncoherentCoherent

Energy relative to EF (eV)

Self-energy of strongly correlated system

M. Takizawa et al.,PRB ’09.

ARPES DMFT Phenomenological model of self-energy

Extraction of the self-energy from experimental data.

「強相関電子論の基礎」藤森淳

Sample :SrVO3 / SrTiO3 (001)

Analyzer :SCIENTA SES-2002

Photon Energy :h = 50-110 eV

Temperature :T ~ 15 K

Resolution :Eres ~ 15 meV

Pressure :better than 10-10 Torr

Photon Factory BL-28A

Synchrotron radiation

Laser MBE Chamber

PhotoemissionChamber

PreparationChamber

Sample Entry

K. Horiba et al., Rev. Sci. Instrum. 74, 3406 (2003).

Sample and Experimental conditions

ARPES spectra of SrVO3 thin film

Fermi surface

Band dispersion

Incoherent

Coherent

Band dispersions and self-energies near EF

Kink ~ 60meVElectron-phonon coupling

cf. High-Tc cuprates

QP band dispersion Self-energy

Re

One can not determinethe self-energyin the high-energy region.

Self-energy deduced from the ARPES spectra

Kramers-Kronig(KK) relation

ReG(k, )

),(1),(

kkG

k

ARPES spectra A(k,) = - ImG(k, )/

),(1),(Im),(Re

kG

kikk

),(Re),(Re),(Im),(Im

kk

kk),( knew

Electron-hole symmetry

Initial data of A(k,)

start

•k=kFA(k,)=I()+I(-)

•k<kFA(k,)=I() ()

=0 ()

Self-energy deduced from the ARPES spectra Self energy (average)

LDA+DMFT

Nekrasov et al.,PRB ’06.

A(k,)

Re

Imk=0

k=kF

k=0

k=kF

Simulation of the spectral weight A(k,w)of SrVO3

k

ARPES data

Simulation of A(k,)

Bare dispersion khas been obtained.

The QP dispersions and the incoherent part are successfully reproduced by the simulation.

)0,(1RekGk

Pole and zero surfaces of the Green function

2D Hubbard model

ReG(k,)

n nnnn

n iia 11)(

Self energy from ARPESEnergy scale of Green function

k=0

S. Sakai, Y. Motome, M. Imada, PRL ‘09.

Pole (QP)Zero(ReG=0)

zero

polepole

まとめ (SrVO3)薄膜SrVO3のin-situ ARPESを行い、インコヒーレント部分も含む自己エネルギーを決定した。

• 低エネルギーキンク ~60 meV銅酸化物と同様のエネルギーペロブスカイト型酸化物sに特徴的なフォノン

• クラマース・クロニッヒ関係を使って、ARPESスペクトルから自己エネルギーの広いエネルギー領域で求めることができた。

• 電子-電子相互作用のエネルギースケール ~0.7 eVインコヒーレントピーク ~1.5 eVを形成zero surface ~0.7 eV