Electronic structure studies of nematic phases in iron based superconductors

Abstract

철기반 초전도체에서는 전자구조의 회전 대칭구조가 깨져있는 네마틱 상을 가지고 있다. 이 네마틱 상은 발현 자체가 신기할 뿐만 아니라 철 기반 초전도체의 초전도 메커니즘과 연 관이 있을 것으로 예측되어 사람들의 이목을 끌었다. 그렇기에 네마틱 상이 생기는 원인을 이해하는 것이 중요한 연구과제로 여겨졌고 이를 위해 수많은 연구들이 수행되어 왔다. 하 지만 네마틱 상이 정확히 어떻게 형성되는지에 대한 정확한 이해가 여전히 되어있지 않은 상태이다. 네마틱 상을 정확히 이해하기 위해선 전자구조의 회전 대칭이 어떻게 깨져있는지 직접적으로 관측이 필요하다. 이를 위해 전자구조를 직접 관측 할 수 있는 각분해능 광전자 분광실험이 수행되었다. FeSe는 네마틱 상을 가지고 있음에도 불구하고 다른 철기반 초전도체에서 나타나는 특성 들과 달리 특이한 특성들을 가지고 있다. 먼저, 다른 물질들이 네마틱 상과 반강자성을 동시에 가지고 있는 반면 FeSe는 반강자성이 없다는 점이다. 다른 한가지는 네마틱 상의 대표적 증 거인 저항의 비등방성이 다르게 나타나는 특성이다. 이러한 이유들로 FeSe에 대한 전자구조 연구를 진행하면 네마틱 상을 이해하는데 중요한 단서를 줄 것이라 여겨졌다. 이에 각분해능 광전자 실험 및 X-ray 흡수 실험을 수행하여 FeSe 네마틱 상의 전자구조를 규명하였다. 규 명한 전자구조의 오비탈 분포 분석을 통해 1 Fe 브릴루앙 대역에서 하나의 포켓이 사라지는 것을 확인하였다. 또한 dxz , dyz 오비탈 간의 점유도 차이가 다른 철기반 초전도체와 비교하 여 반대인 것을 확인하였다. 이 결과들은 통해 FeSe 네마틱 상에서 나오는 특이한 특성들을 이해 할 수 있었다. 더 나아가 네마틱 상의 원인으로 생각되어지던 페로 오비탈 정렬이 아니 라는 것을 밝혔다. 마지막으로 실험적으로 규명한 전자구조를 통해 네마틱 상과 초전도와의 연관성에 대해 다루었다. 앞선 결과를 통해 네마틱 상에서 dxz , dyz 밴드간의 스플리팅이 운동량 의존을 가진다는 것을 확인하였으며 이 발견이 FeSe 뿐만 아니라 다른 철기반 초전도체들에도 발견 되는 것을 확인하였다. 하지만 대표적 철기반 초전도 물질 중 하나인 LaFeAsO에 대해선 정보가 부족한 상황이였다. 이에 LaFeAsO 네마틱 상에 대해 전자구조 연구를 수행하였고 dxz , dyz 밴드간 의 스플리팅이 운동량 의존을 가진다는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 dxz , dyz 밴드간의 스플리팅이 철기반 초전도 네마틱 상에서 공통적으로 나타나는 것을 확인하였고 이를 만드는 것이 네마틱 상을 만드는 직접적인 원인이 될 것이라 규명하였다.

Iron based superconductors have a nematic phase in which the rotational symmetry is broken in the electronic structure. This nematic phase has attracted attention because it is expected to be related to the pairing mechanism of superconductivity in iron based superconductors and is a novelty in itself. Therefore, understanding the origin of nematic phases is considered an important research task, and a number of studies have been con- ducted to find the mechanism. However, there is still no precise understanding of how exactly the nematic phase is formed. In order to understand the nematic phase accurately, it is necessary to directly observe how the rotational symmetry of the electronic structure is broken. For this reason, angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), which allows direct observation of the electronic structure, was conducted. FeSe has unique properties of the nematic phase compared to other iron based super- conductors. The most peculiar aspect is the absence of long range magnetic order, which always coexists with orbital order in the iron pnictides nematic phase. Furthermore, it was reported that the resistivity anisotropy of FeSe has the opposite sign to that of iron pnictides. For this reason, the electronic structure study of FeSe was considered to provide important clue for understanding the nematic phase. Accordingly, ARPES and an X-ray absorption experiments were performed to investigate the electronic structure of the FeSe nematic phase. Through the analysis of the orbital character of the band dispersion, it was confirmed that one pocket disappeared in the 1 Fe Brillouin zone. In addition, the occupancy imbalance between the dxz and dyz orbitals was opposite compared to that of other iron based superconductors. Through these results, it was possible to understand the peculiar characteristics of the FeSe nematic phase. Furthermore, it was revealed that ferro orbital order is not the origin of the nematic phase. Finally, the relationship between the nematic phase and superconductivity has been addressed through the experimentally identified electronic structure. Through the previous results, it was confirmed that the splitting between the dxz and dyz bands has momentum dependence in the nematic phase. Moreover, this finding was found not only in FeSe but also in other iron based superconductors. However, information about LaFeAsO, one of the representative iron based superconductor with nematic phase, was insufficient. Therefore, an electronic structure study was performed on the LaFeAsO nematic phase. It was found that the momentum dependent dxz/yz hole band splitting exist in the LaFeAsO nematic phase. Through this study, it was confirmed that the momentum dependent dxz/yz hole band splitting exist universally in the iron based superconductors. We propose that the instability for the observed universal momentum dependent band splitting should be the true origin of the nematic phase.