[論文レビュー] Effect of electron irradiation on superconductivity in single crystals of Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=$0.24)

R. Prozorov, M. Kończykowski+6 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|May 13, 2014

Iron-based superconductors research被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、単結晶Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂（x=0.24）における電子線照射効果と超伝導転移温度Tcの関係を調査し、2.5 MeVの電子線照射による点状欠陥がTcを化学的ドーピング系よりも速く抑制することを示している。観測されたTc抑制率は、s±対称性と完全に整合しており、鉄系122超伝導体におけるs++対称性を除外する。

ABSTRACT

A single crystal of isovalently substituted Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=0.24$) was sequentially irradiated with 2.5 MeV electrons up to a maximum dose of $2.1 imes 10^{19}$ electrons/cm^2. The electrical resistivity was measured extit{in - situ} at $T=$22 K during the irradiation and extit{ex - situ} as a function of temperature between subsequent irradiation runs. Upon irradiation, the superconducting transition temperature, $T_c$, decreases and the residual resistivity, $ρ_0$, increases. We find that electron irradiation leads to the fastest suppression of $T_c$ compared to other types of artificially introduced disorder, probably due to the strong short-range potential of the point-like irradiation defects. A more detailed analysis within a multiband scenario with variable scattering potential strength shows that the observed $T_c$ vs. $ρ_0$ is fully compatible with $s_\pm$ pairing, in contrast to earlier claims that this model leads to a too rapid a suppression of $T_c$ with scattering.

研究の動機と目的

• 電子線照射による制御された非磁性障害を用いて、鉄系超伝導体の対称性を調べること。
• 残留抵抗率の増加に伴うTcの抑制が、s±またはs++対称性と整合するかを特定すること。
• 化学的ドーピングによる曖昧さを排除するため、バンド構造への最小限の摂動で定義された点状欠陥を生成する電子線照射を用いること。
• 理論的モデル、特に可変な散乱ポテンシャルを有する多バンドBCS理論と照らし合わせて、Tc抑制率を比較すること。
• s++対称性を除外するために、Tc抑制率が非符号変化s波対称性の理論的上限を超えることを示すこと。

提案手法

• 2.1×10¹⁹ e⁻/cm²の線量に達するまで、2.5 MeVの電子線でBa(Fe₁₋₀.₂₄Ru₀.₂₄)₂As₂の単結晶を照射した。
• 照射中は22 Kでインサイトで電気抵抗率を測定し、各照射ステップ後に温度依存の外部測定を実施した。
• 内部および相互バンド散乱ポテンシャルを可変とする多バンドBCSモデルを用いて、Tc抑制率と残留抵抗率の関係をシミュレートした。
• 散乱強度および緩和率の調整可能なパラメータを用いて、理論曲線を実験データにフィットさせた。
• 観測されたTc抑制率を、化学的ドーピング系およびMgB₂のような既知のs++超伝導体と比較した。
• 低周波数浸透深度データを分析し、磁性欠陥の生成を除外した。磁性欠陥が存在すれば、s++対称性とは異なる影響を及ぼす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子線照射下でのTc抑制率は、Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂におけるs±対称性かs++対称性かを支持するか？
• RQ2 電子線照射は、ギャップ対称性を調べるためのクリーンで非磁性の散乱中心を有する点状欠陥を生成できるか？
• RQ3 電子線照射によるTc抑制率は、同様の122系における化学的ドーピングと比較してどの程度か？
• RQ4 観測された抑制率は、強い短距離ポテンシャルを有するs±対称性の一般化多バンドBCS理論と整合するか？
• RQ5 照射による磁性欠陥がTcの急速な抑制を説明できるか、それともデータは純粋に非磁性散乱と整合するか？

主な発見

• 電子線照射によるTc抑制率は、残留抵抗率1 μΩ·cmあたり約340 mKであり、化学的ドーピング系よりも顕著に速い。
• 観測されたTc抑制率は、理論的予測とs±対称性と完全に整合しており、s++対称性が許容する最大抑制率を上回っている。
• 低温度での浸透深度の上昇は観測されず、照射中に顕著な磁性欠陥の生成がなかったことが裏付けられた。
• 実験的Tc対ρ₀データは、可変散乱ポテンシャルを有する多バンドBCS理論で良好に記述されており、s±対称性を支持する。
• 抑制率は、対称的s±対称性のAbrikosov-Gor’kov限界と同等であり、点状欠陥による強い対破壊が生じていることを示している。
• 最近のab initio予測が示すs++対称性（臨界抵抗率～10 μΩ·cm）とは矛盾しており、観測されたTc抑制の臨界抵抗率はわずか～1 mΩ·cmである。