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鉄系超伝導体,強相関物質
の放射光ARPES
吉田 鉄平
京都大学大学院
人間・環境学研究科
2014年1月30日 山形大学
研究科紹介
京都大学大学院 人間・環境学研究科
自然と人間の共生
共生人間学専攻
共生文明学専攻
総合人間学部
人間・環境学研究科
相関環境学専攻
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）
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)2As2
T= Co, Ni, Cu
S. 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= Mn
H. Suzuki, T. Y. et al., Phys. Rev. B 88, 100501(R) (2013).
Collaborators
Photoemission, XAS
S. Ideta, H. Suzuki, I. Nishi, G. Shibata, K. Ishigami, T. Kadono, A. Fujimori,
T. Shimojima, K. Ishizaka,
University of Tokyo
W. Malaeb, S. Shin* (ISSP)
M. Hashimoto, D. H. Lu, Z.-X. Shen,
Stanford University
E. Sakai, Y. Kotani, H. Kumigashira, K. Ono
KEK-PF
H. Anzai, Y. Nakashima, M. Arita, A. Ino*, H. Namatame,
M. Taniguchi
Hiroshima U, HiSOR
Samples
S. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda
Kyoto U
M. Nakajima, S. Uchida
University of Tokyo
H. Eisaki, K. Kihou, A. Iyo, T. Ito, C. H. Lee, Y. Tomioka
AIST
Y. Nakashima, S. Yamaichi, M. Matsuo, T. Sasagawa
Tokyo Institute of Technology
Theory
R. Arita (University of Tokyo)
H. Ikeda (Kyoto U)
銅酸化物と鉄系超伝導体
CuO2面
FeAs面
CuO2面
E. Pavarini et al., PRL (2001).
FeAs面
C. H. Lee et al., JPSJ (2008).
CuO2面
K. Kuroki et al., PRB (2009).
銅酸化物
鉄系超伝導体
モット絶縁体
（反強磁性）
擬ギャップ
金属
金属
（反強磁性）
超伝導
電子量
ホール量
金属
金属
超伝導
電子量
超伝導
ホール量
鉄系超伝導体の相図
不純物効果？
電子ドープ
Ba(Fe1-xCox)2As2
ホールドープ
Ba1-xKxFe2As2
等原子価置換
BaFe2(As1-xPx)2
ノードのある超伝導？
鉄系超伝導体の不純物効果
銅酸化物
鉄系超伝導体
Fukuzumi et al. PRL 96’
Nakajima et al., arXiv 13
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
K. Kuroki et al., PRL ‘08
Cuprates
electron
hole
H. Shishido et al, PRL ’10.
Multi band
H. Sakakibara et al., PRL ‘09
Single band
スピン揺らぎを媒介とした超伝導
Theoretical prediction of line-node in SC gap
electron
hole
hole
electron
hole electron
hole
electron
Re (q)
I. Mazin et al., PRL ‘08
electron
秩序パラメータの
符号反転
Pn
electron
Kuroki et al., PRB ’09.
Z
不純物置換に
弱い超伝導
Fe
Pnictogen height Z
Transition metal substitution in BaFe2As2
Hole doping
Electron doping
Ba(Fe1-xTx)2As2 (T = Co, Ni, Cu, Zn)
Fe
Extra electrons
per Fe/TM site
Co
ex
Fe
Ni
2e2x
Fe
Cu Fe
3e3x
Zn
4e4x
Are doped electrons working as carriers ?
Experimental condition of ARPES
PF BL-28A
Photon 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
HiSOR BL-9A
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
Tc and TN of T-Ba122
Ba(Fe1-xTx)2As2 (T = Co, Ni, Cu)
Canfield et al., PRB ‘09.
Ni et al., PRB ‘10.
Are doped electrons working as carriers ?
Band structure calculation (Supercell)
H. Wadati et al., PRL ’10.
Doped electrons are localized ?
S. Konbu et al., JPSJ ’11.
Rigid-band model ?
Valence band spectra of Ni-122 and Cu-122
S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.
Fermi surface of Ba(Fe1-xTx)2As2
T= Ni
T= Cu
electron
hole
S. Ideta,
T. Y. et al., PRL ‘13.
Carrier number estimated from FS volume
nh: hole carrier
nel: electron carrier
Part of the doped electrons do
not contribute to the formation
of FSs.
S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.
Tc and TN plotted as a function of nel -nh
Phase diagrams for different transition metal
substitution accord with each other.
S. Ideta, T. Y. et al., PRL ‘13.
Valence‐band spectra of Zn‐Ba122
Ba(Fe1-xZnx)2As2
TN~140 K
H. Wadati et al.,
PRL ‘11.
Zn 3d level
~ 10 eV below EF
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
x=0.08
x=0.25
Shapes of the FSs for different doping level are nearly the same.
S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.
Density of states for T‐Ba122
10
10
10x
Total electron
number
6
10(1-x)
6+x
6+4x
S. Ideta, T. Y. et al., PRB ‘13.
Phase diagram of Mn-122
Ba(Fe1-xMnx)2As2
x<0.74
x>0.74
A. Thaler et al. PRB 84 144528 (2011)
M.G. Kim et al. PRB 83 054514 (2011)
Intensity (arb. units)
Partial Density of States of Mn3d orbitals
Mn PDOS is distributed
around EB=2~12eV
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.
s-波的超伝導ギャップ
Ba1-xKxFe2As2
x=0.4
s-wave-like full gap
superconductivity?
s++ ?
s+- ?
H. Ding et al., EPL ‘08
Superconducting gap in iron pnictide superconductors
s-wave-like full gap
(Ba,K)Fe2As2
Octed line node
Tc~ 4K
Tc~ 37K
H. Ding et al.,EPL ’08
KFe2As2
K. Okazaki et al.,
Science ’12
等原子価置換 BaFe2（As1-xPx）2
Phase diagram of BaFe2(As1-xPx)2
BaFe2As2
BaFe2P2
H. Shishido et al, PRL ’10.
S.Kasahara et al., PRB ‘10.
•Number of Fe 3d electron
is constant.
•Pnictogen height hPn
decreases.
T. Yoshida et al., PRL ‘11
BaFe2(As1-xPx)2
鉄系超伝導体の超伝導ギャップ
超伝導秩序変数 
水平ノード＠ホールフェルミ面
ホール面
電子面
K. Suzuki et al., JPSJ ‘11
ループノード＠電子面
ノード
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。
運動量空間のどこにノードが存在する？
I. Mazin et al., PRB ‘10
SC gap of BaFe2(As1-xPx)2 in the hole FSs
Laser ARPES
Horizontal node is
unlikely ?
T. Shimojima et al., Science `11.
SC gap of BaFe2(As1-xPx)2
x= 0.30
Horizontal node ?
K. Suzuki et al.,
JPSJ ‘11
Isotropic gap in the
electron FSs
Y. Zhang et al.,Nature Physics `12.
Superconducting gap for hole FSs around the Z point
Intensity (arb. units)
h= 35eV
Clear gap at low T
x= 0.30, Tc=30 K
Pseudogap (cf. S. Kasahara et al., Nature ‘12.)
Inplane anisotropy for hole FS
Superconducting peak
Gap anisotropy
Intensity (arb. units)
Symmetrized EDCs
Isotropic SC gap
coexists with pseudogap
x= 0.30, Tc=30 K
h= 35eV
kz dependence of the SC gaps for the hole FSs
Outer FS
Middle FS
Inner FS
x= 0.30,
Tc=30 K
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
Summary of the observed SC gap
Electron FSs
Hole FSs
outer hole FS
kz dependence
Spin fluctuation mechanism
Theoretical prediction of line-node in SC gap
Spin fluctuation mechanism
Absence of xy FS
Node in SC gap
Kuroki et al., PRB ’09.
Three hole FSs are observed.
Orbital fluctuations
SC order parameter
determined by ARPES
Loop node in the electron FS


Electron FSs
Hole 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 superconductivity
in 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
吉松公平，蓑原誠人，堀場弘司*，尾嶋正治*
K. Gupta, P. Mahadevan
組頭広志*
東大理
東大工
S. N. Bose研究所
高エネ研PF
Electronic structure of SrVO3
dxy
dHvA
ARPES
Bulk SVO
Thin film SVO
kz ky
dyz
kx
dzx
I. H. Inoue et al., PRL ‘02.
SrVO3 ( d1)
Incoherent
Coherent
T. Yoshida et al., PRB ’10.
Energy relative to EF (eV)
T. Yoshida et al.,
PRB ’10.
M. Takizawa et al.,
PRB ’09.
Self-energy of strongly correlated system
ARPES
Phenomenological model of self-energy
DMFT
M. Takizawa et al.,
PRB ’09.
Extraction of the self-energy
from experimental data.
「強相関電子論の基礎」
藤森淳
Sample and Experimental conditions
Photon Factory BL-28A
Sample :
Synchrotro
n radiation
Laser MBE
Chamber
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
Photoemission
Chamber
Preparation
Chamber
Sample Entry
K. Horiba et al.,
Rev. Sci. Instrum. 74, 3406 (2003).
ARPES spectra of SrVO3 thin film
Band dispersion
Coherent
Incoherent
Fermi surface
Band dispersions and self-energies near EF
QP band dispersion
Re
Self-energy
Kink ~ 60meV
Electron-phonon
coupling
cf. High-Tc cuprates
One can not determine
the self-energy
in the high-energy region.
Self-energy deduced from the ARPES spectra
start
ARPES spectra
A(k,) = - ImG(k, )/
Kramers-Kronig
(KK) relation
ReG(k, )
Initial data of A(k,)
G (k ,  ) 
•k=kF
A(k,)=I()+I(-)
1
   k  ( k ,  )
 k  Re (k ,  )  i Im (k ,  )   
•k<kF
A(k,)=I() ()
=0
()
new
( k ,  )
1
G (k ,  )
Electron-hole symmetry
Im (k ,  )  Im (k , )
Re (k ,  )   Re (k , )
Self-energy deduced from the ARPES spectra
Self energy (average)
A(k,)
Re
k=kF
k=0
Im
LDA+DMFT
k=kF
k=0
Nekrasov et al.,
PRB ’06.
Simulation of the spectral weight A(k,w)of SrVO3
Simulation of A(k,)

1 

G
(
k
,
0
)


 k  Re 
k
Bare dispersion k
has been obtained.
ARPES data
The QP dispersions
and the incoherent part
are successfully
reproduced by the
simulation.
Pole and zero surfaces of the Green function
Energy scale of Green function
Self energy from ARPES
k=0
ReG(k,)


1
1

( )   an 



i



i





n
n
n
n
n 

zero
2D Hubbard model
pole
pole
Pole (QP)
Zero
(ReG=0)
S. Sakai, Y. Motome,
M. Imada, PRL ‘09.
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