[論文レビュー] Direct evidence for multi-gap nodeless superconductivity in FeSe

Lin Jiao, Chien-Lung Huang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、低温比熱および走査トンネル顕微鏡（STM）測定を組み合わせることで、FeSeにおけるマルチギャップ非ノード超伝導の直接的証拠を提供する。データは、より小さいs波ギャップΔₛとより大きい拡張s波ギャップΔₑₛを有する二バンドs + es（拡張s波）ギャップモデルに適合し、 twins境界を越えてU字型のトンネルスペクトルが観察されたことで、材料全体にわたるノードレス超伝導が確認された。

ABSTRACT

A combined study of low-temperature specific heat $C(T)$ and scanning tunneling microscopy measurements on single crystalline FeSe reveals the existence of two superconducting gaps without nodes. The $C(T)$ data can be represented by a phenomenological two-band model with an s-wave plus an extended s-wave ($s$ + $es$) type gap structure. The estimated s-wave gap magnitude $\Delta_{s}$ is significantly smaller than that of the extended s-wave gap $\Delta_{es}$. An overall U-shaped gap found in the tunneling spectra away as well as on top of twin boundaries is in excellent agreement with the $C(T)$ analysis, confirming nodeless multi-gap superconductivity throughout the FeSe material.

研究の動機と目的

• 単結晶FeSeにおける超伝導ギャップ構造を、補完的な実験的手法を用いて特定すること。
• 熱力学的および分光的プローブを用いて、超伝導ギャップがノードレスか、ノードを有するかを特定すること。
• バルク熱力学的および局所電子構造測定を用いて、複数ギャップ成分の存在とその対称性を検証すること。
• 構造的欠陥（たとえば twins境界など）におけるギャップ構造の一貫性を調査すること。
• 特定熱測定データの表象的二バンドフィッティングを用いて、超伝導ギャップの定量的モデルを確立すること。

提案手法

• FeSeの単結晶における低温比熱$C(T)$測定を実施し、状態密度を介して超伝導ギャップ構造を調べた。
• s波および拡張s波（$s$ + $es$）対称性を有する表象的二バンドモデルを$C(T)$データに適合させ、ギャップ大きさΔₛおよびΔₑₛを抽出した。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、局所状態密度を直接像として得た。
• twin境界の周辺およびその上でのトンネルスペクトルを分析し、構造的欠陥を越えたギャップの一貫性と均一性を評価した。
• STMスペクトルで観察されたU字型ギャップ特徴を、$C(T)$データから得られた二バンドモデル予測と定量的に比較した。
• バルク熱力学的応答と局所電子構造測定の整合性を用いて、超伝導ギャップにノードが存在しないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSeはマルチギャップ超伝導状態を示すか？ もしそうならば、個々のギャップ成分の対称性は何か？
• RQ2 twin境界などの構造的欠陥を含め、フェルミ面全体にわたって超伝導ギャップがノードレスであるか？
• RQ3 特定熱データは一貫して二バンドs + esギャップモデルで記述可能か？ ギャップの相対的な大きさは何か？
• RQ4 STM測定における局所トンネルスペクトルは、$C(T)$で観察されたバルク熱力学的挙動と整合性があるか？
• RQ5 特にtwin境界を越えて、FeSeにおける超伝導ギャップ構造の空間的均一性はいかがなものか？

主な発見

• 特定熱データは、拡張s波ギャップ$\Delta_{es}$がs波ギャップ$\Delta_s$よりも顕著に大きい二バンド$s$ + $es$ギャップモデルで良好に記述される。
• 走査トンネル顕微鏡では、twin境界の周辺およびその上でも、局所状態密度にU字型ギャップ特徴が観察され、$C(T)$から導かれたモデルと整合的である。
• 全測定領域でトンネルスペクトルにノードが存在しないことから、FeSe結晶全体にわたるノードレス超伝導が確認された。
• バルク熱力学的応答と局所分光的測定の整合性から、マルチギャップノードレス超伝導の強力で直接的な証拠が得られた。
• 観察されたギャップ構造はtwin境界を越えて一様であり、超伝導状態が構造的不均一性に対して頑健であることが示された。
• 特定熱測定およびSTM測定から推定されたギャップ大きさは、極めて良好に一致しており、FeSeにおける$s$ + $es$ギャップモデルの妥当性を支持する。