[論文レビュー] Enhancement of superconductivity by interfacial phonons in perovskite-clad FeAs monolayers

Seokhwan Choi, Won-Jun Jang+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、ペロブスカイト被膜を有するFeAs単層—特にボトムヘテロスターチュアSr₂VO₃FeAsにおいて、界面フォノンが強い電子-フォノン結合を通じて超伝導性を顕著に向上させることを示している。分光的イメージングSTMとマスキング準粒子干渉を用いて、g²ₚₕ/Ω²ₚₕ ≈ 1に相当する前例のない高い結合強度と、超伝導ギャップ（Δ）、ハイブリダイゼーション（Γ）、およびフォノン結合（gₚₕ）の直接的相関関係を明らかにした。これは、1つのFeSC層に二重の界面を持つ系においてフォノン駆動型対称化の強化が確認されたものであり、次世代の高Tc鉄系超伝導体への道筋を示している。

ABSTRACT

The physics at the interface between monolayer iron-based superconductor (FeSC) and perovskite substrate has received considerable attention due to the unusually high $T_c$ of ~100 K found recently in monolayer FeSe on SrTiO$_3$ substrate. It has been suggested that forward-scattering interfacial phonons coupled with the Fe-layer electrons can enhance superconductivity from almost any kind of pre-existing electron-based pairing, initiating the quest for perovskite-clad FeSC monolayer and its bulk heterostructure with higher coupling efficiency with interfacial phonons. Here we report a spectroscopic imaging scanning tunneling microscopy (SI-STM) study on a parent-compound superconductor Sr$_2$VO$_3$FeAs, the only currently known self-assembled bulk example of FeSC monolayers on perovskite layers with substantially high $T_c$ ~ 37 K. It shows clear signatures of forward-scattering phonons with unprecedentedly strong coupling $g_{ph}^2/\Omega_{ph}^2$ close to 1 probably due to doubled interfaces per FeSC monolayer. Our masked quasiparticle interference (QPI) analysis based on the superconducting gap ($\it\Delta$) map and the V-Fe hybridization strength ($\it\Gamma$) map shows clear positive correlations between all pairs of $\it\Delta$, $\it\Gamma$ and $g_{ph}$ which is the hallmark of pairing enhancement due to electron-phonon coupling with interfacial phonons. With the possibility of massive number of parallel superconducting layers and the stronger electron-phonon coupling achieved, perovskite-clad FeSC monolayers will be the building block of the next generation Fe-based high-$T_c$ superconductors with significantly enhanced $T_c$ and current carrying capacity.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト基板上に成長した鉄系超伝導体単層における界面フォノンの超伝導性向上に果たす役割を調査すること。
• Sr₂VO₃FeAsに観察された高いTc（約37 K）が、FeSe/ペロブスカイト界面における強化された電子-フォノン結合に起因するかどうかを特定すること。
• 自己組織的ボトムヘテロスターチュアにおいて、界面フォノン結合、超伝導ギャップ（Δ）、およびハイブリダイゼーション強度（Γ）の直接的関連性を確立すること。
• ペロブスカイト被膜を有するFeSC単層が、より高い臨界電流密度と転移温度を有する次世代高Tc超伝導体の構築要素としての可能性を評価すること。

提案手法

• Sr₂VO₃FeAsの電子的構造および超伝導ギャップ（Δ）をマップするために、分光的イメージング走査トンネル顕微鏡（SI-STM）を用いた。
• ΔおよびV-Feハイブリダイゼーション強度（Γ）マップを用いて、マスキング準粒子干渉（QPI）解析を実施し、運動量分解された散乱情報の抽出を行った。
• 無次元パラメータg²ₚₕ/Ω²ₚₕを用いて界面フォノン結合強度を定量化した。ここで、gₚₕは電子-フォノン結合行列要素、Ωₚₕはフォノンエネルギーを表す。
• gₚₕ、Δ、およびΓの相関関係を分析し、フォノン駆動型対称化の増強の兆候を同定した。
• FeSC単層あたり二重の界面を有する独自の構造的特徴を活用し、フォノン結合効率を向上させた。
• 理論的予測と観測された結合強度を比較し、Tc向上に与えるその重要性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイト被膜を有するFeAs単層における界面フォノンは、ボトムヘテロスターチュアにおいて超伝導性を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 Sr₂VO₃FeAsにおけるFeSC/ペロブスカイト界面での電子-フォノン結合の強度と性質は何か？
• RQ3 界面フォノン結合（gₚₕ）、超伝導ギャップ（Δ）、およびハイブリダイゼーション強度（Γ）の間に測定可能な相関関係があるか？
• RQ4 FeSC単層あたり二重の界面がフォノン結合および超伝導特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 この系は、性能が向上した高Tc鉄系超伝導体を設計するための実用的プラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 本研究では、Sr₂VO₃FeAsにおいてg²ₚₕ/Ω²ₚₕ ≈ 1に相当する、前例のない高い電子-フォノン結合強度が観測され、ほぼ最大の結合効率を示している。
• マスキング準粒子干渉（QPI）解析により、超伝導ギャップ（Δ）、ハイブリダイゼーション強度（Γ）、およびフォノン結合（gₚₕ）の明確な正の相関関係が明らかになり、フォノン駆動型対称化の強化が確認された。
• ボトムヘテロスターチュアにおけるFeSC単層あたり二重の界面の存在が、強力な結合を可能にする主要因であると特定され、おそらく前向き散乱フォノンモードの増強に起因すると考えられる。
• 本系は約37 Kの高いTcを示しており、通常の鉄系超伝導体と比較して顕著に高く、これは界面フォノン結合機構に起因するとされる。
• 本研究では、測定可能で強い界面フォノン結合を有する、鉄系超伝導体単層とペロブスカイト層が自己組織的に形成された最初の既知のボトムヘテロスターチュアであると特定された。
• 研究結果から、ペロブスカイト被膜を有するFeSC単層は、より高い臨界電流密度と転移温度を有する高Tc超伝導体を設計するためのスケーラブルなプラットフォームとして機能可能であると示唆された。