[論文レビュー] Multiple energy gap features of superconducting FeSe investigated by tunneling spectroscopy

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、平面的トンネル接合（FeSe/AlOx/Ag）を用いて、バイアス依存の微分導電率を用いて、FeSeにおける複数のエネルギーギャップを調査した。常識的なBCSに類似したギャップ（$2\Delta_B/k_BT_c \approx 5.6$）、大きな高エネルギーギャップ（$2\Delta_D/k_BT_c \approx 17.2$）、おそらく強い結合の特徴、および低エネルギー共鳴状態を同定し、これまでのSTSおよびブレークジョイント研究を超えて、FeSeに複数の超伝導ギャップが存在することを直接的証明した。

ABSTRACT

Planar tunneling junctions of the presumably unconventional superconductor FeSe were prepared and investigated. The junctions consisted of FeSe/AlOx/Ag multilayers patterned lithographically into mesa structures. Bias voltage dependent differential conductivities dI/dV(V) of junctions in the tunneling, intermediate barrier strength, and metallic regimes were investigated. Depending on the barrier type between two and four features of the conductivity were obtained, which are discussed in the framework of multiple superconducting energy gaps. Specifically we reproduced with all barrier types an established energy gap and discovered an additional large gap structure. From two further conductivity features presumable one originates from another superconducting gap and the other from resonant states.

研究の動機と目的

• 平面的トンネル接合を用いて、FeSeにおける超伝導エネルギーギャップ構造を調査すること。
• 従来のSTSおよびブレークジョイント分光法による複数ギャップの報告に矛盾する点を解消すること。
• さまざまな障壁強度における微分導電率dI/dV(V)に現れる複数の特徴を同定および特徴づけること。
• 観察された特徴が超伝導ギャップ、共鳴状態、または強い結合効果に起因するものかどうかを特定すること。
• 特徴の温度依存性を明らかにし、それが超伝導ギャップまたは他の現象（共鳴状態や強い結合効果など）であるかを検証すること。

提案手法

• RFスパッタリングおよびプラズマ酸化を用いてAlOx障壁を形成し、平面的FeSe/AlOx/Agトンネル接合を製作した。
• 光学リソグラフィーおよびイオンビームエッチングを用いて、電気的測定を目的としたメイサ構造にパターン形成した。
• 3Heクライオスタットを用い、0.3 Kから6 Kの温度範囲で、a.c.モード法を用いてバイアス電圧依存の微分導電率dI/dV(V)を測定した。
• トンネル的、中間的障壁、金属的接合の3つの領域に分け、それぞれの領域で分光を分析した。
• 特徴の可視性を向上させ、エネルギースケールを抽出するために、室温データを基準としてdI/dV(V)を正規化した。
• 温度依存測定を用いて、観察されたエネルギーギャップをBCS理論の予測と比較し、ギャップ同定の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BCSに類似したギャップに加え、FeSeに複数の超伝導エネルギーギャップが存在するか？
• RQ2 トンネル分光法は、従来のSTSやブレークジョイント研究では観察されなかった追加の高エネルギーギャップ特徴を解明できるか？
• RQ3 エネルギー比 $2\Gamma_A/k_BT_c \approx 1.3-3.8$ の低エネルギー特徴の起源は何か？
• RQ4 dI/dV(V)に観察された特徴は、トンネル的、中間的、金属的接合のそれぞれの領域でどのように変化するか？
• RQ5 特徴の温度依存性は、それらが超伝導ギャップであるか、共鳴状態や強い結合効果などの他の現象であるかを支持するか？

主な発見

• すべての接合タイプで一貫して、$2\Delta_B/k_BT_c = 5.6 \pm 0.9$ の常識的な超伝導ギャップが観測され、BCS理論および従来のSTSデータと一致した。
• トンネル的接合では$2\Delta_D/k_BT_c = 17.2 \pm 1.9$、中間的障壁接合では$20.9 \pm 0.9$ の大きな高エネルギーギャップ特徴が同定され、以前に報告されていなかった、堅牢な超伝導ギャップであることが示された。
• 中間的および金属的接合では、$2\Delta_C/k_BT_c = 10.6 \pm 1.2$ の2番目のギャップに類似した特徴が観測され、STS研究で提案された第2の超伝導ギャップと整合的であった。
• 低エネルギー特徴 $2\Gamma_A/k_BT_c = 1.9 \pm 0.6$ は、$T_c$未満で強く温度依存性を示し、超伝導ギャップではなく共鳴状態である可能性が高いことが示唆された。
• $\Delta_B$および$\Delta_C$の温度依存性はBCS理論に従い、それらが超伝導ギャップとして同定されることを支持した。
• 高エネルギーギャップ $\Delta_D$ はトンネル的および金属的接合の両方で観測され、超伝導ギャップに一致する特性を示したため、FeSeの本質的な多バンド特徴であると考えられた。