[論文レビュー] Mapping of Yu-Shiba-Rusinov states from an extended scatterer

Markus Etzkorn, Matthias Eltschka+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、超伝導体V(100)表面に吸着した銅フタロシアニン（CuPc）分子によって誘起されるユウ＝シバ＝ルシンフォフ（YSR）状態を、分子内解像度でマップした。走査トンネル顕微鏡を用いて、YSR状態が異なる分子オービタルに起因し、分子の外縁でも空間的振動を示し、粒子状態とホール状態成分の間で位相差が最小限であることが明らかになった。これは、点状散乱子ではなく拡張散乱子の振る舞いを示しており、原子的不純物を想定する従来のモデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

We investigate the spatial evolution of Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states resulting from the interaction between Copper phthalocyanine molecules and a superconducting Vanadium (100) surface with submolecular resolution. Each molecule creates several YSR states at different energies showing distinctly different spatial intensity patterns. Surprisingly, on the molecules the largest YSR intensities are found not at the metal center, but close to one of the pyrrolic N-atoms, demonstrating strong molecular substrate interactions via the organic ligands. Energy resolved YSR maps reveal that the different YSR states originate from different molecular orbitals. We also follow the YSR states well-beyond the extent of the molecules and find clear oscillations of the YSR intensities without strong particle hole scattering phase differences. This is in contrast to expectations from a point scattering model and recent experimental findings on atomic impurities on superconductors. Our results can be explained by treating the molecular system as extended scatterer. Our findings provide new insights that are crucial to interpret the effects of a variety of magnetic systems on superconductors, in particular also those discussed in the context of Majorana bound states, which because of their size can not be considered point like as well.

研究の動機と目的

• 非点状散乱子としての分子散乱子が超伝導表面に誘起するユウ＝シバ＝ルシンフォフ（YSR）状態の空間的進化を調査すること。
• 分子オービタル構造と拡張散乱ポテンシャルがYSR状態の分布および強度パターンに与える影響を特定すること。
• YSR状態が分子の範囲を越えて観察される際、粒子・ホール成分間の位相コherー二ョーを検討することで、従来の点散乱モデルに挑戦すること。
• 特にピロリック窒素原子のような特定の原子サイトに近接する際、分子基底面相互作用がYSR状態の局在化に果たす役割を明確にすること。
• サイズ効果が極めて重要なマジョラナ束縛状態を含む系において、拡張散乱子の影響を評価すること。

提案手法

• 超高真空下で15 mKの低温走査トンネル顕微鏡（STM）を用い、(5×1)再構成されたV(100)表面で分子内解像度を達成する。
• 個々のCuPc分子の周囲のさまざまな位置でエネルギー分解能付き微分伝導度（dI/dV）スペクトルを測定し、YSR状態エネルギーと空間的分布をマップする。
• 空間的に解像されたYSRマップを用いて、分子境界を越えた強度の振動を追跡し、粒子状態およびホール状態成分間の位相コherー二ョーを分析する。
• DFT計算による分子オービタル密度と照合することで、強度パターンを特定のオービタルに割り当てる。特にピロリック窒素原子に関与するオービタルに注目する。
• トンネル接合の有限な静電容量を考慮して、STMデータにおけるエネルギー分解能の広がりを補正し、YSRピーク幅の正確な解釈を保証する。
• 実験的YSRパターンを拡張散乱子の理論モデルと比較し、標準的な点散乱モデル（sin(kFr - δ±)/(kFr)波動関数に基づくもの）と対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 点状不純物ではなく拡張分子散乱子によって誘起された場合、YSR状態はどのように空間的に分布するか？
• RQ2 CuPcにおいて、中心の銅イオンではなくピロリック窒素原子付近に観察される強度最大値の起源は何か？
• RQ3 散乱子が拡張している場合、粒子・ホールYSR状態間にどの程度の位相差が生じるか？これは原子的不純物とどのように異なるか？
• RQ4 異なる分子オービタルに起因するYSR状態は、空間的およびエネルギー的特徴で区別可能か？それらの波動関数はどのように軌道対称性を反映するか？
• RQ5 超伝導体のギャップ内に有限の状態密度がある場合、YSR状態の寿命および超低温度STM実験における検出可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• CuPc分子がV(100)上に誘起するYSR状態は、分子境界をはるかに超えて強い空間的振動を示し、粒子状態とホール状態成分の間に顕著な位相差が認められない。
• 最低エネルギー状態のYSR強度は、中心の銅イオンではなく、フタロシアニンリガンド上のピロリック窒素原子付近に局在化しており、超伝導凝集体への強い軌道特異的結合を示唆している。
• 類似したエネルギー（Ei/Δ ≈ 0.5）にある異なるYSR状態は、DFT計算によるオービタル密度との空間相関により、異なる分子オービタルに起因することが確認された。
• 観察されたYSR波動関数パターンは、フェルミ波長（λF ≈ 1 nm）のスケールで構造的ポテンシャルを持つ拡張散乱子として扱うことで最もよく説明され、点散乱モデルとは矛盾する。
• 測定されたYSR状態の寿命の広がりは約10 μeVと一致しており、量子制限の分解能であり、顕微鏡チップによる顕著な摂動は排除される。
• 超伝導体のギャップ内に有限の状態密度があることで、YSR状態の効率的な崩壊経路が提供され、特に超低温度でのSTMデータの解釈には注意が必要である。