[論文レビュー] Observation of a small superconducting energy gap in K$_{0.7}$Fe$_{1.8}$Se$_2$ by optical spectroscopy

R. H. Yuan, Tao Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、臨界温度Tc未満のK₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂において、面内光学分光法を用いて鋭い反射率エッジを観測した。これは、小さな超伝導エネルギーギャップを示す。この特徴は、ジョセフソン結合プラズモンに起因するとされ、磁場によって抑制され、超伝導性と磁性のナノスケール相分離を裏付ける証拠となり、異なる手法による矛盾する実験結果を統一的に説明するものである。

ABSTRACT

We report an in-plane optical spectroscopy study on the iron-selenide superconductor K$_{0.75}$Fe$_{1.75}$Se$_2$. The measurement revealed the development of a sharp reflectance edge below T$_c$ at frequency much smaller than the superconducting energy gap on a relatively incoherent electronic background, a phenomenon which was not seen in any other Fe-based superconductors so far investigated. Furthermore, the feature could be noticeably suppressed and shifted to lower frequency by a moderate magnetic field. Our analysis indicates that this edge structure arises from the development of a Josephson-coupling plasmon in the superconducting condensate. Together with the transmission electron microscopy analysis, our study yields compelling evidence for the presence of nanoscale phase separation between superconductivity and magnetism. The results also enable us to understand various seemingly controversial experimental data probed from different techniques.

研究の動機と目的

• K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂の超伝導転移温度未満における電子的応答を、面内光学分光法を用いて調査すること。
• 他の鉄系超伝導体とは異なり、Tc未満で低周波数域に観測された予期しない鋭い反射率エッジの起源を特定すること。
• この特徴が超伝導凝縮状態のダイナミクスに起因するのか、あるいは競合する電子相に起因するのかを同定すること。
• ナノスケール相分離を関連付けることで、異なる手法による見かけ上矛盾する実験的観察を統合すること。
• 磁場が観測された光学的応答をどのように変化させるかを評価し、その励起状態の性質を推察すること。

提案手法

• K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂の単結晶を用い、広帯域の周波数範囲で反射率と導電率を測定する面内光学分光法を実施する。
• 周波数依存反射率を分析し、特にTc未満で顕著な低エネルギー領域の鋭い特徴を検出する。
• 観測されたエッジの磁場依存性を調べ、超伝導秩序パラメータへの感受性を評価するために中程度の磁場を印加する。
• 観測されたエッジを、超伝導領域間の位相整合トンネルによるジョセフソン結合プラズモンモードとしてモデル化する。
• 電子線透過顕微鏡のデータと照合することで、ナノスケール相分離領域の存在を裏付ける。
• 理論的解析を用いて、低エネルギーエッジを小さな超伝導ギャップと関連付け、磁場下での抑制と整合するようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂では、他の鉄系超伝導体とは異なり、Tc未満で低周波数域に鋭い反射率エッジが観測されるが、その原因は何であるか？
• RQ2 中程度の磁場を印加すると、観測された光学的特徴はどのように変化するのか？ これはその起源に何を示唆するか？
• RQ3 観測されたエッジは、相分離した超伝導状態におけるジョセフソン結合プラズモンモードとして説明可能か？
• RQ4 超伝導性と磁性のナノスケール相分離の存在を裏付ける証拠は何か？
• RQ5 これらの発見は、異なる測定手法による過去の矛盾する実験結果をどのように統合するか？

主な発見

• Tc未満で、超伝導エネルギーギャップよりもはるかに小さい周波数に鋭い反射率エッジが出現し、小さなギャップを持つ超伝導状態であることを示唆している。
• 中程度の磁場を印加すると、エッジ特徴は抑制され、周波数が低くなる傾向を示し、超伝導的起源と整合的である。
• 観測されたエッジは、ナノスケールの超伝導領域間の位相整合トンネルに起因するジョセフソン結合プラズモンモードであると特定された。
• 電子線透過顕微鏡のデータは、超伝導相と磁性相のナノスケール相分離の存在を支持している。
• 結果として、異なる手法による過去の矛盾する実験データを統一的に説明する根拠が得られた。
• この系は、他の鉄系超伝導体で観測された大きなギャップとは異なり、小さな超伝導エネルギーギャップを示している。