Laser-based spectroscopic studies on iron chalcogenide superconductors

Abstract

With the discovery of iron-based superconductors, research on strongly correlated systems faced a new era since iron-based superconductors show rich emergent phenomena as well as unconventional superconductivity. Owing to their multiorbital nature, much more degrees of freedom can be imposed, leading to diverse emergent phenomena including various magnetism, nematic phase, and orbital-selective physics. Despite the high interest in iron-based superconductors, their low-energy electronic structures remain a mystery. This is due to their low energy scale in electronic structures due to their low transition temperature and strong renormalization induced by electronic correlations. To reveal the low-energy electronic structures of iron-based superconductors, laser-based spectroscopic measurements can be utilized owing to the high energy resolution of lasers. In particular, low-energy electronic structures can be directly measured by laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES).

In this thesis, I will present the development of a high-resolution laser ARPES system and experimental results on iron-based superconductors utilizing the setup. The laser is based on optical fibers, which makes the system compact and stable. The output photon energy is 7 eV (177 nm). The ARPES system utilizes a time-of-flight analyzer. Deep learning-based data processing speeds up the slow data acquisition process. The results on iron-based superconductors consist of two parts: i) Kondo lattice in FeTe; and ii) anisotropic superconducting gap in Fe(Te,Se). The successful measurement of low-energy electronic structures with the developed instrument not only facilitates the study of unconventional superconductivity but also leads to the demonstration of a new platform for ARPES.

철기반 초전도체는 다양한 발현 현상과 일반적이지 않은 초전도 현상을 보인다. 이 덕분에 강상관계 물질에 대한 연구는 철기반 초전도체의 발견과 함께 새로운 국면을 맞이하였다. 철기반 초전도체에서 다중 궤도가 줄 수 있는 자유도는 자성 상태, 네마틱 상, 그리고 궤도 선택적 물리 등과 같은 새로운 현상을 가능하게 한다. 하지만 철기반 초전도체에 대한 많은 관심에도 불구하고 철기반 초전도체의 낮은 에너지 전자 구조는 아직까지도 잘 밝혀지지 않았는데, 이는 낮은 초전도 임계 온도와 강한 전자 간 상호작용으로 인한 큰 재규격화에 기인한다. 따라서 철기반 초전도체의 낮은 에너지 전자 구조를 파악하기 위해서는 레이저 기반 분광학 기법과 같은 고분해능을 가진 실험 장치를 사용하여야 한다. 특히, 레이저 기반 각분해 광전자 분광법을 이용한다면 이들 시스템의 낮은 에너지 전자 구조가 직접적으로 파악할 수 있다. 이 졸업 논문에서는 고분해능을 가진 각분해 광전자 분광 장비 개발과 그 장비로 측정한 철기반 초전도체에서의 결과가 소개되어 있다. 여기서 레이저는 광섬유로 만들어져 있어 전체적인 크기가 작고 안정적으로 구동될 수 있다. 만들어진 각분해 광전자 분광 시스템은 비행시간 전자 분석기를 이용한다. 비행 시간 전자 분석기의 고질적인 단점인 긴 측정 시간은 심층 학습을 기반으로 한 노이즈 감쇄 기법을 이용하여 보완되었다. 철기반 초전도체에 대한 결과는 첫째, FeTe 에서 콘도 격자 현상, 둘째, Fe(Te,Se) 에서 강한 비등방 초전도 틈과 관련한 내용이다. 개발된 장비를 이용한 철기반 초전도체에서 저에너지 전자 구조의 성공적인 측정은 일반적이지 않은 초전도 현상에 대한 연구를 불러일으킬 뿐만 아니라 새로운 각분해 광전자 분광 시스템의 입증이라는 데 그 중요성이 있다.