[論文レビュー] Momentum dependence of the superconducting gap and in-gap states in MgB2 multi-band superconductor

Daixiang Mou, Rui Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2015

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、可変周波数レーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、MgB2における超伝導ギャップの運動量および温度依存性を調査した。等方的s波対称性を示すことが判明し、σバンドではギャップ幅が約7 meVであった。また、フェルミエネルギー面に近接して、約3 meVに位置する平坦な準位状態が観測されたが、その起源は未解決のままである。これは、不純物由来の束縁状態やインターバンド散乱の可能性を示唆している。

ABSTRACT

We use tunable laser based Angle Resolved Photoemission Spectroscopy to study the electronic structure of the multi-band superconductor, MgB2. These results form the base line for detailed studies of superconductivity in multi-band systems. We find that the magnitude of the superconducting gap on both sigma bands follows a BCS-like variation with temperature with Delta0 ~7 meV. The value of the gap is isotropic within experimental uncertainty and in agreement with pure a s-wave pairing symmetry. We also observe in-gap states confined to kF of the sigma band that occur at some locations of the sample surface. The energy of this excitation, ~3 meV, is inconsistent with scattering from the pi band.

研究の動機と目的

• 高分解能ARPESを用いて、MgB2のσバンドにおける超伝導ギャップの運動量および温度依存性を体系的かつ詳細に調査すること。
• 超伝導ギャップに異方性が存在するかどうかを特定し、非s波対称性を示唆するかを検証すること。
• 特定の表面位置で観測された、以前報告のない準位状態の起源を同定し、その特徴を同定すること。
• 特に対称性および不純物効果に関連して、多バンド超伝導の理解に役立つ実験的基盤データを提供すること。

提案手法

• 1 meVのエネルギー分解能および0.13°の角度分解能を有する可変真空紫外（VUV）レーザーを用いたARPESを用いて、電子状態を測定した。
• kz ≈ 0.22π/cに対応する6.7 eVの光子エネルギーを用い、ブリユアンゾーン中心およびΓ近傍のσバンドにアクセスした。
• 対称化されたエネルギー分布関数（EDCs）を用いて、温度依存の超伝導ギャップおよび準位状態の位置を抽出した。
• 基底圧力8×10⁻¹¹ Torr未満の条件下で、割れたMgB2単結晶（Tc ≈ 39 K）を用い、温度依存のARPES測定を実施した。
• 実験的ギャップの温度依存性をBCS理論の予測と比較し、対称性の性質を評価した。
• 準位状態の運動量分布をマッピングし、特にフェルミ波数（kF）付近での局在化に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgB2のσバンドにおける超伝導ギャップに、運動量依存の異方性が存在するか。これは非s波対称性を示唆するか？
• RQ2 超伝導ギャップの大きさは温度にどのように依存するか。BCS理論に従う挙動を示すか？
• RQ3 Tc未満で観測された約3 meVの準位状態の起源は何か。なぜ特定の表面位置でのみ観測されるのか？
• RQ4 この準位状態は、インターバンド散乱、不純物由来の束縁状態、または表面特有の電子的不均一性に起因するか？
• RQ5 この観測された準位状態は、常磁性不純物では説明できないが、磁性散乱ポテンシャルを必要とするか？

主な発見

• 両方のσバンドにおける超伝導ギャップは、等方的運動量依存性を示し、Δ₀ ≈ 7 meVであった。これは、MgB2におけるs波対称性の直接的実験的証明である。
• ギャップの温度依存性はBCS理論に類似した挙動を示し、MgB2における超伝導の常磁性BCS的性質を確認した。
• Tc未満で約3 meVの結合エネルギーに平坦な準位状態が観測された。その強度は運動量空間においてフェルミエネルギー面（kF）付近に強く局在化していた。
• 準位状態のエネルギー（約3 meV）は、既知のπバンドギャップ（約1.5 meV）とは整合せず、単純なπバンドからの散乱を除外した。
• 準位状態のエネルギーおよび温度依存性は、BCS理論に類似した挙動を示し、超伝導と強い関連がある可能性を示唆した。
• この準位状態は特定の表面位置でのみ観測され、目に見える表面欠陓と相関はなく、運動量混合や機器由来のアーティファクトの可能性は低い。