[論文レビュー] Magnetic penetration depth of single crystal SmFeAsO_{1-x}F_y: a fully gapped superconducting state

Liam Malone, J. D. Fletcher+6 more|ArXiv.org|Jun 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、Tc ≈ 45 K の単結晶 SmFeAsO₀.₈F₀.₂ における面内磁気浸透深度を、高周波トランジスタ発振器を用いて測定し、低温域で指数関数的温度依存性を示すことを明らかにした。これは完全にギャップのある s 波超伝導状態を示唆する。データは、小さなギャップ Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc と、支配的である大きなギャップ Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc を持つ二重ギャップ BCS モデルに良好にフィットし、超伝導密度の 80% を占める。これはギャップの強い異方性または複数のフェルミ面シートの存在を示唆する。

ABSTRACT

We report measurements of the in-plane magnetic penetration depth $λ$ in single crystals of SmFeAsO$_{1-x}$F$_y$ ($x\simeq y \simeq 0.2$) with $T_c \simeq 45$ K. We find that at low temperature $λ$ has an exponential temperature dependence which suggests that the Fermi surface is fully gapped. The magnitude of the minimum energy gap, $Δ_1=1.1\pm 0.1 k_BT_c$ at T=0 K, is significantly smaller than the BCS weak-coupling value suggesting that the gap is either strongly anisotropic or varies significantly between the different Fermi surface sheets. Our data fits well a two gap model with an additional larger gap of magnitude $Δ_2 = 1.8\pm0.2 k_BT_c$ which is associated with $\sim 80$% of the total superfluid density.

研究の動機と目的

• Tc ≈ 45 K の高品質な単結晶 SmFeAsO₀.₈F₀.₂ における超伝導ギャップ構造を特定すること。
• 点接触アンドレーエフ分光法による報告の矛盾を解消するため、体積感受性で表面に依存しないプローブを用いること。
• 理論的モデルが予測するように、超伝導状態が完全にギャップのある状態（ノードなし）であるかどうかを検証すること。
• 二重ギャップモデルを用いて、複数のフェルミ面シートが超伝導密度に果たす相対的寄与を定量化すること。

提案手法

• 面内磁気浸透深度 λab を、周波数約 12 MHz の高周波トランジスタ発振器法で測定した。
• 試料はサファイア棒に取り付けられ、ソレノイドコイル内に配置され、磁場を c 軸方向に整えたことで、ab 面にスクリーニング電流が誘導された。
• 周波数シフトを、既知の試料寸法と基底温度での基準測定を用いて Δλ(T) にキャリブレーションした。
• 低温域のデータを BCS の指数関数的形にフィットさせ、最小ギャップ Δ₁ を抽出した。
• 全温度域における超伝導密度 ρ(T) = λ²(0)/λ²(T) を、トーチャー測定から得られる λ(0) ≈ 2100 ± 300 Å を用いて計算し、二重ギャップモデルのフィッティングを可能にした。
• 二重ギャップ BCS モデルを用いて超伝導密度にフィットし、ギャップ強度 Δ₁, Δ₂ および小さなギャップに寄与する超伝導密度の割合 x をパラメータとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmFeAsO₀.₈F₀.₂ の超伝導状態は、浸透深度の温度依存性が指数関数的であることに基づき、完全にギャップのある s 波対称性を示すか？
• RQ2 複数の超伝導ギャップが存在する場合、その大きさと全超伝導密度に与える相対的寄与は何か？
• RQ3 本研究で得られたギャップパラメータは、多結晶試料を用いた点接触アンドレーエフ分光法で報告された値とどのように比較できるか？
• RQ4 観測されたギャップの温度依存性は、異なるギャップ強度を持つ複数のフェルミ面シートに起因するのか、それとも秩序パラメータの滑らかな角度依存性に起因するのか？
• RQ5 データは二重ギャップモデルで一貫して説明可能か。それとも単一ギャップの異方的状態も同様に妥当な代替解釈となるか？

主な発見

• 面内磁気浸透深度は、約 6 K 未満で指数関数的温度依存性を示し、完全にギャップのある超伝導状態であることを確認した。
• T=0 K における最小エネルギーギャップは Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc であり、弱い結合 BCS 値よりも顕著に小さい。
• 二重ギャップ BCS モデルは全温度域の超伝導密度に非常に良好にフィットし、第二ギャップ Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc（6.4 ± 0.7 meV）を有する。
• 大きなギャップ Δ₂ は全超伝導密度の 80 ± 5% を占め、超伝導応答を支配していることが示された。
• データは、中程度の異方性を有する完全ギャップ s 波状態と整合的であるが、ギャップの滑らかな角度変化も明確に除外できない。
• 小さなギャップが超伝導密度に与える寄与が小さいため、表面感受性の測定では検出されない可能性があることから、従来の点接触アンドレーエフ分光法との矛盾が解消された。