[論文レビュー] Merohedral disorder and impurity impacts on superconductivity of fullerenes

Shu-Ze Wang, Mingqiang Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 71被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial Rb3C60膜における超伝導性を、低温走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて調査した。著者らは、同一結晶内の多形的不純物、非磁性不純物、ステップエッジが存在する中でも、強固なs波対称性の対称性が保たれていることを明らかにした。Feアダアトムによって誘起された局在的Yu-Shiba-Rusinov束縁状態の同定は、局所的電子対形成の存在を裏付け、ドーピングフルーレンにおける多軌道電子相関および分子内格子振動子の寄与によるメカニズムを支持する。

ABSTRACT

Local quasiparticle states around impurities provide essential insight into the mechanism of unconventional superconductivity, especially when the candidate materials are proximate to an antiferromagnetic Mott-insulating phase. While such states have been reported in atom-based cuprates and iron-based compounds, they are unexplored in organic superconductors which feature tunable molecular orientation. Here we employ scanning tunneling microscopy and spectroscopy to reveal multiple forms of robustness of an exotic $s$-wave superconductivity in epitaxial Rb$_3$C$_{60}$ films against merohedral disorder, non-magnetic single impurities and step edges at the atomic scale. Also observed have been Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states induced by deliberately incurred Fe adatoms that act as magnetic scatters. The bound states display abrupt spatial decay and vary in energy with the Fe adatom registry. Our results and the universal optimal superconductivity at half-filling point towards local electron pairing in which the multiorbital electronic correlations and intramolecular phonons together drive the high-temperature superconductivity of doped fullerenes.

研究の動機と目的

• エピタキシャル Rb3C60膜における多形的不純物、非磁性不純物、ステップエッジが超伝導性に与える影響を調査すること。
• 原子スケールの走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、磁性不純物および非磁性不純物周囲の局所的準粒子状態を調べること。
• ドーピングフルーレンにおける超伝導性が、局所的s波対称性と整合しているかどうかを特定すること。
• フルーレンの統一的相図を確立し、半フィルイン状態における最適な超伝導状態を同定すること。
• 多軌道電子相関および電子-格子振動子結合が、フルーレンの高Tc超伝導性に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• エピタキシャル Rb3C60膜は、ドーピングレベルと電子充填状態を制御可能な、事前にグラファイト化された SiC(0001) サブストレート上での分子ビームエpitaxy (MBE) を用いて成長した。
• 4.6 K での低温走査トンネル顕微鏡 (STM) および分光法 (STS) を用いて、局所的準粒子状態をマップし、超伝導ギャップを測定した。
• ロックイン技術を用いてトンネル電流の微分dI/dVスペクトルを取得し、ギャップ測定には周波数975 Hz、振幅0.2 meV、広帯域測定には20 meV を使用した。
• 多形的不純物の度合を評価するため、隣接するC60分子間の角度偏差を分析して、方位相関関数を計算した。
• Rb空孔または過剰Rbドーパント密度から電子ドーピングレベル (x) を推定した。統計誤差は 0.5% 未満であった。
• Feアダアトムを意図的に導入し、磁性散乱体として機能させ、Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 束縁状態を誘発した。その空間的およびエネルギー的特性を詳細に分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多形的不純物は、エピタキシャル Rb3C60膜における超伝導性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非磁性不純物およびステップエッジは、フルーレンにおける超伝導性を抑制するのか、それとも共存するのか？
• RQ3 磁性不純物は、ドーピングフルーレンに局在的Yu-Shiba-Rusinov束縁状態を誘起できるか？ その空間的およびエネルギー的特性は、Feの配置にどのように依存するか？
• RQ4 強い電子相関が存在する中でも、フルーレンにおける超伝導対称性は、局所的s波対称性と整合的であるか？
• RQ5 ドーピングフルーレンの相図において、最適な超伝導性はどこに現れるのか、特に半フィルイン状態 (x ≈ 3) においては？

主な発見

• Rb3C60膜における多形的不純物は、不純物領域を越えて広がる強固な超伝導ギャップの維持によって、超伝導性を抑制しないことが示された。
• 非磁性不純物およびステップエッジは、超伝導状態を顕著に破壊せず、s波対称性メカニズムの高い耐性を示している。
• Feアダアトムは、局在的Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 束縁状態を誘起し、その空間的減衰は急激で、Feの配置に依存するエネルギー依存性を示した。
• 超伝導ギャップ Δ は大きな値を示し、2Δ/kBTc > 6.0 であった。これは強固な対形成と、標準的BCS理論からの逸脱を示唆している。
• 最適な超伝導性は、常に半フィルイン状態 (x ≈ 3) に現れ、局所的対称性が最大となるこのドーピングレベルで、普遍的な相図が成立することを支持する。
• これらの結果は、ドーピングフルーレンにおける局所的s波対称性メカニズムが、多軌道電子相関および分子内格子振動子の寄与によって駆動されていることを総合的に裏付けた。