[論文レビュー] Momentum-dependence of Superconducting Gap, strong-coupling dispersion Kink, and tightly bound Cooper pairs in the high-Tc (Sr,Ba)1-x(K,Na)xFe2As2 superconductors

L. Andrew Wray, Dong Qian+14 more|ArXiv.org|Dec 11, 2008

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高品質な (Sr,Ba)1-x(K,Na)xFe2As2 単結晶を用いて角度分解光電子分光法（ARPES）とSTMを実施し、運動量に依存する超伝導ギャップ、約40 meVの強い結合分散のキーン、および驚くほど短いコープル対の相関長さ（~20 Å）を明らかにした。これらの発見は、スピン揺らぎとソフトフォノンを含む、常識的でないBCS-フォノン結合とは異なる、位相シフトを伴う秩序パラメータを示す非単純なペアリングを示唆している。

ABSTRACT

We present a systematic angle-resolved photoemission spectroscopic study of the high-Tc superconductor class (Sr/Ba){1-x}(K/Na)xFe2As2. By utilizing a photon-energy-modulation contrast and scattering geometry we report the Fermi surface and the momentum dependence of the superconducting gap, Delta(k). A prominent quasiparticle dispersion kink reflecting strong scattering processes is observed in a binding-energy range of 25-55 meV in the superconducting state, and the coherence length or the extent of the Cooper pair wave function is found to be about 20-angstrom, which is uncharacteristic of a superconducting phase realized by the BCS-phonon-retardation mechanism. The observed 40 meV kink likely reflects contributions from the frustrated spin excitations and scattering from the soft phonons. Results taken collectively provide direct clues to the nature of the pairing potential including an internal phase-shift factor in the superconducting order parameter which leads to a Brillouin zone node in a strong-coupling setting.

研究の動機と目的

• 高臨界温度鉄基超伝導体 (Sr,Ba)1-x(K,Na)xFe2As2 における超伝導ギャップ Δ(k) の運動量依存性を特定すること。
• 準粒子スペクトルにおいて約25–55 meVの結合エネルギーで観察される強い結合分散キーンの起源を調査すること。
• 相関長を測定することでコープル対の空間的広がりを評価し、ペアリング機構に与える影響を検討すること。
• 磁気的性質と電子相関が、FeAs系における非単純な超伝導性を媒介する役割を果たすかを調べること。
• 観察されたギャップ構造とキーンが、ブリユアンゾーンの節を持つ位相シフトを伴う秩序パラメータによって一貫して説明可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 光子エネルギーを変調することで運動量分解能を向上させた高分解能ARPESを、単一ドメインで高品質（δTc < 1 K）な (Sr,Ba)1-x(K,Na)xFe2As2 単結晶に実施した。
• 2次微分画像近似と細かいエネルギーステップの結合エネルギースキャンを用いて、フェルミ表面のトポロジーと準粒子分散を高精度でマッピングした。
• ARPESデータと原子分解能STM測定を統合し、表面の品質を確認するとともに、超伝導ギャップとキーン特徴を検証した。
• フェルミ速度 vF ≈ 0.7 eV·Å とギャップ Δ ≈ 13 meV を用いて、コープル対の相関長 ξ = ℏvF/(πΔ) を推定し、ξ ≲ 20 Å の結果を得た。
• ギャップの温度依存性を測定し、バルクの抵抗率と Hc2 データとを比較することで、表面測定のバルクへの関連性を確認した。
• 観察された特徴が、特に位相シフトを伴う π-位相の秩序パラメータとスピン揺らぎ媒介ペアリングを含む非単純ペアリングのシナリオと整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (Sr,Ba)1-x(K,Na)xFe2As2 における超伝導ギャップ Δ(k) の運動量依存性は何か？ また、異なるフェルミ表面シート間でどのように変化するか？
• RQ2 準粒子分散に観察される約40 meVの強い結合分散キーンの原因は何か？ これは電子ボソン結合の性質をどのように示唆するか？
• RQ3 コープル対波動関数の空間的広がりはどの程度か？ また、BCSの予測とはどの程度乖離しているか？
• RQ4 観察されたギャップ構造とキーンは、ブリユアンゾーンの節を持つ位相シフトを伴う秩序パラメータによって一貫して説明可能か？
• RQ5 磁気的性質と電子相関は、これらの鉄基超伝導体におけるペアリング機構にどのように寄与しているか？

主な発見

• 超伝導ギャップ Δ(k) は運動量に依存する振動的構造を示し、面内方向ではほぼノードレスである。これは、位相シフトを伴う s±-波的または dx²−y²-様の秩序パラメータと整合的である。
• 約40 ± 15 meV の結合エネルギーで顕著な準粒子分散キーンが観察され、強い電子ボソン結合を示唆している。これは、断念的スピン励起とソフトフォノンからのものと考えられる。
• コープル対の相関長は約20 Å と測定され、従来のBCS超伝導体と比較して顕著に短い。これは、強く束縛されたペアを示している。
• 推定された相関長は、高い上臨界磁場 Hc2 ~ 70 T と整合的であり、ペアリング機構の強靭性を裏付けている。
• 観察された小さなペアサイズと面内のノードレスギャップは、従来のBCS-フォノンペアリングとは整合せず、スピン揺らぎを含む非単純的で強い結合ペアリングと一致する。
• データは総合的に、秩序パラメータに非自明な π-位相シフトが存在するペアリング機構を支持しており、フェルミ表面のノードギャップが存在しない状況でも短い相関長を実現可能としている。