[論文レビュー] Evidence of a d to s-wave pairing symmetry transition in the electron-doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$

Amlan Biswas, P. Fournier+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、電子ドーピングが増加するに従い、Pr₂₋ₓCeₓCuO₄（PCCO）におけるd波対称性からs波対称性への遷移を、点接触分光法（PCS）を用いて実証した。アンダードープPCCO（x ≈ 0.13）ではゼロバイアス電導度ピークが観測され、アンドレエフ局在状態の存在を確認し、d波対称性を示唆する。一方、オーバードープPCCO（x ≈ 0.17）では、このようなピークが観測されず、s波対称性の対称性が支持される。これにより、最適ドーピング付近に量子臨界点が存在すると示唆される。

ABSTRACT

We present point contact spectroscopy (PCS) data for junctions between a normal metal and the electron doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ (PCCO). For the underdoped compositions of this cuprate ($x \sim 0.13$) we observe a peak in the conductance-voltage characteristics of the point contact junctions. The shape and magnitude of this peak suggests the presence of Andreev bound states at the surface of underdoped PCCO which is evidence for a d-wave pairing symmetry. For overdoped PCCO ($x \sim 0.17$) the PCS data does not show any evidence of Andreev bound states at the surface suggesting an s-wave pairing symmetry.

研究の動機と目的

• Pr₂₋ₓCeₓCuO₄（PCCO）のような電子ドーピングカップレートにおける対称性の長年の論争を解消すること。
• アンダードープからオーバードープ領域にかけてのドーピング変化に伴い、PCCOにおける超伝導オーダーパラメータがd波かs波かを特定すること。
• nドーピングカップレートにおけるd波対称性の直接的兆候であるアンドレエフ局在状態（ABS）の存在を調査すること。
• d波からs波への対称性遷移に基づいて、電子ドーピングカップレートに量子臨界点（QCP）が存在する可能性を検討すること。

提案手法

• PCCO薄膜は、LaAlO₃およびYSZ基板上に脈動レーザー堆積法を用いて成長させ、c軸方向に整列した薄膜を用いて点接触分光法（PCS）を実施した。
• 低抵抗・低障壁接合（低Z）を形成するために、金のチップを割れたPCCO薄膜の側面に圧着させ、電流がc軸に垂直に流れ、複数のa-b面方向をサンプリングするようにした。
• 1.6 Kでロックイン技術を用いて、熱的スメアリングを最小限に抑え、低エネルギー特徴の分解能を向上させるために、電導度-電圧（G-V）特性を測定した。
• 理論的モデルと比較することでデータを解析した。s波対称性にはBTK理論、d波対称性にはKashiwayaらのモデルを用い、特にゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）の有無に注目した。
• G-V曲線から超伝導ギャップΔ_SCを抽出し、Ce濃度xに伴うその変化を追跡するとともに、T_cの変化も測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープ領域における電子ドーピングカップレートPr₂₋ₓCeₓCuO₄は、アンドレエフ局在状態を示すことでd波対称性を示すか？
• RQ2 オーバードープPCCOにおける対称性は、ゼロバイアス電導度ピークの欠如によってs波対称性に遷移しているとされるか？
• RQ3 d波からs波への対称性遷移に基づいて、電子ドーピングカップレートに最適ドーピング付近に量子臨界点が存在するか？
• RQ4 以前のPCCOに関する実験、例えば浸透深度測定やトンネル測定では、なぜ対称性に関する結果が矛盾しているのか？

主な発見

• アンダードープPCCO（x = 0.13）における低抵抗点接触接合では、広いゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）が観測され、アンドレエフ局在状態の存在が確認され、d波対称性の強い証拠が得られた。
• オーバードープPCCO（x = 0.17）では、G-V曲線にZBCPが観測されず、データはs波対称性モデルに良好に適合した。これにより、s波対称性への遷移が示唆された。
• 超伝導ギャップΔ_SCは、Ce濃度の増加に伴い単調に減少し、x = 0.13で約6.5 meVからx = 0.17で約3.4 meVに低下した。これは弱結合BCS値に近づいたことを示している。
• 比2Δ_SC / k_B T_cは、アンダードープ領域で約12.4からオーバードープ領域で約3.4に低下し、超伝導対称性メカニズムの顕著な変化が示された。
• アンダードープPCCOにおける高抵抗（高Z）接合ではZBCPが観測されないのは、不純物と熱的スメアリングによるピークの抑制によるものであり、理論的予測と整合的である。
• d波からs波への対称性遷移の観察は、電子ドーピングカップレートに最適ドーピング付近に量子臨界点が存在すると示唆する。これは、過去の実験で観測された矛盾を説明する可能性を秘めている。