[論文レビュー] Scanning Tunneling Spectroscopy and Vortex Imaging in the Iron-Pnictide Superconductor BaFe$_{1.8}$Co$_{0.2}$As$_2$

Yi Yin, M. Zech+5 more|Oct 6, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、磁場が最大9 Tに達する鉄 arsenide超伝導体 BaFe1.8Co0.2As2 において、最初の原子分解能走査トンネル分光法（STS）およびヴォルテックス像の取得が行われた。6.25 meVの単一の等方的超伝導ギャップ、バルクピン留めによる不規則なヴォルテックス格子の形成、およびヴォルテックスコア内に準位状態が存在しないことから、s波的対称性を示し、coherence length が 27.6 ± 2.9 Å、上臨界磁場 Hc2 = 43 T であると示された。

ABSTRACT

We present an atomic resolution scanning tunneling spectroscopy study of superconducting BaFe$_{1.8}$Co$_{0.2}$As$_2$ single crystals in magnetic fields up to $9 ext{Tesla}$. At zero field, a single gap with coherence peaks at $\overlineΔ=6.25 ext{meV}$ is observed in the density of states. At $9 ext{T}$ and $6 ext{T}$, we image a disordered vortex lattice, consistent with isotropic, single flux quantum vortices. Vortex locations are uncorrelated with strong scattering surface impurities, demonstrating bulk pinning. The vortex-induced sub-gap density of states fits an exponential decay from the vortex center, from which we extract a coherence length $ξ=27.6\pm 2.9 extÅ$, corresponding to an upper critical field $H_{c2}=43 ext{T}$.

研究の動機と目的

• 原子分解能走査トンネル分光法（STS）を用いて、鉄ヒ素化超伝導体における超伝導ギャップ構造およびヴォルテックス状態を調査すること。
• 銅酸化物系のd波的超伝導体で観察されたように、鉄系超伝導体のヴォルテックスコアに内部構造や準位状態が存在するかどうかを特定すること。
• 特に、ヴォルテックスが表面欠陥かバルク欠陥によってピン留めされているかを示すために、不純物およびピン留め機構がヴォルテックス格子形成に与える影響を評価すること。
• ヴォルテックスコアの減衰プロファイルから、coherence length（ξ）や上臨界磁場（Hc2）といった基本的超伝導パラメータを抽出すること。
• 銅酸化物系および従来のs波的超伝導体と比較して、鉄ヒ素化系におけるヴォルテックス状態および対称性の特徴を明らかにすること。

提案手法

• 6.15 Kで、割れた BaFe1.8Co0.2As2 単結晶を用い、低温・高磁場走査トンネル顕微鏡法（STM）および分光法（STS）を実施した。
• 表面を走査してdI/dVスペクトルを取得し、局所的電子状態密度（DOS）をマップし、coherence peak から超伝導ギャップ Δ を抽出した。
• 6 Tおよび9 Tでヴォルテックス格子を像像し、表面不純物との相関関係を解析することで、ピン留めの起源を評価した。
• ヴォルテックス周囲のゼロバイアス伝導度（ZBC）の方位平均的半径依存性を、指数関数的減衰モデル g(r,0) = g∞ + A exp(−r/ξ) にフィットさせ、coherence length ξ を抽出した。
• Ginzburg-Landauの関係式 Hc2 = Φ₀/(2πξ²) を用いて上臨界磁場を計算した。ここで Φ₀ = h/2e は磁束量子である。
• 観測されたヴォルテックスコア構造および準位状態密度（DOS）を、s波およびd波的対称性の理論予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄ヒ素化超伝導体 BaFe1.8Co0.2As2 は、電子状態密度において単一のギャップか、複数のギャップを示すか？
• RQ2 この材料の磁場ヴォルテックスは等方的かつ非縮退的か、それとも4重対称性や準位状態といった内部構造を示すか？
• RQ3 ヴォルテックスピン留めは表面不純物に起因するのか、それとも表面散乱中心との相関関係から示されるバルク欠陥に起因するのか？
• RQ4 この超伝導体のcoherence length ξ および上臨界磁場 Hc2 は何か？ また、従来の超伝導体および銅酸化物系超伝導体と比較してどうか？
• RQ5 この鉄系超伝導体のヴォルテックスコアに、予測された従来のs波的超伝導体と同様にエネルギーが ≈ Δ/4 の準位状態が存在するか？

主な発見

• ゼロ磁場下で、局所的電子状態密度に Δ = 6.25 meV の単一の超伝導ギャップが観察され、相対標準偏差は12%であった。
• 9 Tおよび6 Tで不規則なヴォルテックス格子が観察され、ヴォルテックス位置が表面不純物と相関しなかったため、表面欠陥によるピン留めではなくバルクピン留めであると示された。
• ヴォルテックスに起因する準位状態密度は、コアから指数関数的に減衰し、g(r,0) = g∞ + A exp(−r/ξ) に良好にフィットした。これにより、coherence length は ξ = 27.6 ± 2.9 Å と抽出された。
• 抽出された ξ を用いて Ginzburg-Landau の関係式を適用し、上臨界磁場 Hc2 = 43 T が計算された。
• ヴォルテックスコア内に準位状態は観察されず、ZBC は特徴のない平滑な形状を示した。これは、d波的銅酸化物系や従来のs波的超伝導体で観察される粒子-ホール対称なピークとは対照的であった。
• coherence length ξ = 27.6 Å は、電子の平均自由行程 ℓ ≈ 81 Å よりも顕著に小さく、超伝導体がドライイ・リミットではなくクリーン・リミットにあることを示唆した。