[論文レビュー] Determination of the Superconducting Order Parameter from Defect Bound State Quasiparticle Interference

Shun Chi, W. N. Hardy+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Surface and Thin Film Phenomena参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、鉄基超伝導体における超伝導ギャップ関数の位相を直接プローブできる新しいSTMベースの手法である欠陥結合状態準粒子干渉（DBS-QPI）を提案する。欠陥によって誘起された励起状態からの位相参照型フーリエ変換を用いて、LiFeAsにおいて $ s_{\pm} $ 対称性を特定し、天然欠陥が磁性でないことを示した。本手法は、ノードなし超伝導体における対称性の区別と欠陥性質の同定に一般的かつ堅牢に適用可能である。

ABSTRACT

The superconducting order parameter is directly related to the pairing interaction, with the amplitude determined by the interaction strength, while the phase reflects the spatial structure of the interaction. However, given the large variety of materials and their rich physical properties within the iron-based high-Tc superconductors, the structure of the order parameter remains controversial in many cases. Here, we introduce Defect Bound State Quasi Particle Interference (DBS-QPI) as a new method to determine the superconducting order parameter. Using a low-temperature scanning tunneling microscope, we image in-gap bound states in the stoichiometric iron-based superconductor LiFeAs and show that the bound states induced by defect scattering are formed from Bogoliubov quasiparticles that have significant spatial extent. Quasiparticle interference from these bound states has unique signatures from which one can determine the phase of the order parameter as well as the nature of the defect, i.e. whether it is better described as a magnetic vs a nonmagnetic scatterer. DBS-QPI provides an easy but general method to characterize the pairing symmetry of superconducting condensates.

研究の動機と目的

• ノードなし多バンド超伝導体において、従来の手法が失敗する状況で、超伝導秩序パラメータの位相を一般化可能な手法で特定すること。
• 特に、電子バンドとホールバンドのフェルミ表面の間で秩序パラメータに符号変化があるかどうか（$ s_{\pm} $ 対 $ s_{++} $）という、長年の論争を解消すること。
• 超伝導体材料における欠陥の性質（磁性対非磁性）を、準粒子干渉のシグネチャを分析することで同定すること。
• 標準的なギャップ測定手法ではアクセスできない、複素秩序パラメータ $ \Delta_{\mathbf{k}} = |\Delta_{\mathbf{k}}|e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $、特に位相因子 $ e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $ を直接実験的にプローブすること。
• 低温STMを用いて、ノード構造や対称性の破れに依存せずに、励起状態に由来する準位の位相を抽出し、対称性と欠陥性質を特定する堅牢で一般化可能な手法を確立すること。

提案手法

• ステキオメトリックなLiFeAsにおいて、天然欠陥によって誘起された準位状態を低温走査トンネル顕微鏡（STM）で観察する。
• 空間分解能を有するトンネル電導度 $ g(V) $ を用いて、これらの準位状態からの準粒子干渉（QPI）パターンを測定し、運動量空間における散乱特徴を明らかにする。
• QPIデータに位相参照型フーリエ変換を適用し、正負のバイアス電圧における干渉信号の符号を分離することで、秩序パラメータ内の位相変化を直接検出可能にする。
• 欠陥を $ \delta $-関数ポテンシャルとしてモデル化し、理論的計算により $ s_{\pm} $ と $ s_{++} $ の対称性、磁性・非磁性欠陥の散乱を比較する。
• $ +E_{\text{B}} $ と $ -E_{\text{B}} $ におけるQPI特徴の符号反転または保存を診断指標として用いる：符号反転は秩序パラメータ内の位相シフトを示し、符号保存は位相変化なしを示す。
• 実験的位相参照DBS-QPIパターンを、3つの欠陥および対称性状況（非磁性欠陥・$ s_{\pm} $、磁性欠陥・$ s_{\pm} $、磁性欠陥・$ s_{++} $）の理論シミュレーションと比較し、最良の適合モデルを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠陥によって誘起された準位状態からの準粒子干渉は、ノードなし多バンド超伝導体における超伝導秩序パラメータの位相を明らかにできるか？
• RQ2 LiFeAsにおいて、ホールバンドと電子バンドのフェルミ表面間で秩序パラメータの符号が変化するか、これは $ s_{\pm} $ 対称性の予測に一致するか？
• RQ3 LiFeAsにおける天然欠陥は磁性か非磁性か？ また、その性質は準粒子干渉パターンにどのように影響するか？
• RQ4 ノード構造や回転対称性の破れが存在しない状況で、位相参照型フーリエ解析によるDBS-QPIは $ s_{\pm} $ と $ s_{++} $ の対称性を区別できるか？
• RQ5 DBS-QPIは、非摂動的超伝導体における対称性と欠陥性質をプローブする一般的でモデルに依存しない手法として、どの程度有効に機能するか？

主な発見

• ±1.2\,\text{meV} における位相参照型DBS-QPIでは、$ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ の準粒子干渉特徴が正負バイアス電圧間で符号反転を示し、秩序パラメータ内に符号変化があることを確認した。
• 実験的DBS-QPIパターンは、非磁性欠陥を仮定した $ s_{\pm} $ 対称状態の理論的シミュレーションと最も一致し、磁性欠陥を伴う $ s_{\pm} $ および磁性欠陥を伴う $ s_{++} $ のモデルを除外した。
• $ \mathbf{q}_{h_{3}-h_{3}} $ 干渉特徴は $ +E_{\text{B2}} $ と $ -E_{\text{B2}} $ 間で符号を保ち、内部バンド散乱に一致するが、$ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ は符号反転を示し、位相変化が異バンド散乱に起因することを直接関連づけた。
• $ g(V) $ 測定により、$ h_3 $ および $ e $ バンドの小さなギャップに起因する準位状態が確認され、±1.2\,\text{meV} に二つの明確な準位ピークが観測された。
• 磁性欠陥を仮定したシミュレーションは、観測された位相参照QPIパターンを再現できず、LiFeAsの天然欠陥が非磁性であることが確認された。
• DBS-QPIは、ノード構造や回転対称性の破れに依存せず、超伝導体における対称性と欠陥性質を特定する堅牢で一般化可能な手法を提供する。