[論文レビュー] Specific heat of Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_{2}$As$_{2}$, and a new method for identifying the electron contribution: two electron bands with different energy gaps in the superconducting state

C. R. Rotundu, Thomas Forrest+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、鉄系超伝導体Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$（T$_c$ = 36.9 K）の比熱データに対する新しい分析手法を提示し、近似的な格子寄与の差し引きに依存せずに、直接的に電子寄与を抽出する。この手法により、エネルギー差が3.8倍異なる2つの異なる電子バンドが特定され、そのうち77%の電子状態密度が大きなギャップを持つバンドに起因していることが明らかになった。これは従来のモデルに反し、強い電子相関効果を示しており、観察された有効質量増大の理論的先行事例は存在しない。

ABSTRACT

We report measurements of the specific heat of Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_{2}$As$_{2}$, an Fe-pnictide superconductor with $T_c$ = 36.9 K, for which there are suggestions of an unusual electron pairing mechanism. We use a new method of analysis of the data to derive the parameters characteristic of the electron contribution. It is based on comparisons of $α$-model expressions for the electron contribution with the total measured specific heat, which give the electron contribution directly. It obviates the need in the conventional analyses for an independent, necessarily approximate, determination of the lattice contribution, which is subtracted from the total specific heat to obtain the electron contribution. It eliminates the uncertainties and errors in the electron contribution that follow from the approximations in the determination of the lattice contribution. Our values of the parameters characteristic of the electron contribution differ significantly from those obtained in conventional analyses of specific-heat data for five similar hole-doped BaFe$_{2}$As$_{2}$ superconductors, which also differ significantly among themselves. They show that the electron density of states is comprised of contributions from two electron bands with superconducting-state energy gaps that differ by a factor 3.8, with 77$\%$ coming from the band with the larger gap. The variation of the specific heat with magnetic field is consistent with extended $s$-wave pairing, one of the theoretical predictions. The relation between the densities of states and the energy gaps in the two bands is not consistent with a theoretical model based on interband interactions alone. Comparison of the normal-state density of states with band-structure calculations shows an extraordinarily large effective mass enhancement, for which there is no precedent in similar materials and no theoretical explanation.

研究の動機と目的

• 従来の格子寄与の近似差し引きに依存しない、超伝導体の比熱測定において電子寄与をより正確に分離するための新しい手法の開発。
• 類似した穴ドーピングBaFe$_2$As$_2$超伝導体における従来の解析による電子パラメータ抽出における不一致を解消すること。
• Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$における電子構造および対称性の解明、特に複数の超伝導ギャップの存在を調査すること。
• 観察されたギャップと状態密度の関係が、非対角相互作用に基づく既存の理論モデルと整合しているかどうかを検証すること。

提案手法

• 著者らは、理論的式による電子寄与を全測定比熱と直接比較するαモデルに基づく解析手法を導入した。
• この手法により、従来の解析で大きな誤差を生じる独立的な近似格子寄与の決定を回避できる。
• 電子寄与は、全比熱データにαモデルをフィッティングすることで直接導出され、系統的誤差が最小限に抑えられる。
• 温度および磁場依存比熱測定を用いて、超伝導ギャップパラメータおよび状態密度を抽出した。
• この手法により、拡張s波対称性の理論的予測と観測された比熱挙動を直接比較可能となった。
• データを二ギャップモデルにフィッティングすることで、異なるエネルギーギャップを持つ複数の電子バンドの同定が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 比熱データの新たな解析手法は、超伝導体材料における近似的な格子寄与の差し引きに起因する不確実性を排除できるか？
• RQ2 Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$における電子状態密度の性質は何か？また、複数の超伝導ギャップを支持するか？
• RQ3 2つのバンドにおける状態密度とエネルギーギャップの関係が、非対角相互作用に基づく理論モデルと整合しているか？
• RQ4 常温状態で観察された極めて大きな有効質量増大の起源は何か？また、バンド構造計算と比較してどう異なるか？
• RQ5 比熱の磁場依存性は、この鉄系超伝導体における拡張s波対称性を支持するか？

主な発見

• 新しい解析手法は、近似的な格子寄与の差し引きに依存せず、パラメータ抽出における系統的誤差を低減した。
• Ba$_{0.59}$K$_{0.41}$Fe$_2$As$_2$における電子状態密度は、エネルギーギャップが3.8倍異なる2つの異なる電子バンドに起因している。
• 電子状態密度への寄与の77%が、大きなギャップを持つバンドに起因している。
• 磁場依存比熱の挙動は、拡張s波対称性と整合しており、この物質における理論的予測の1つを支持する。
• 2つのバンドにおける状態密度とギャップの関係は、単独の非対角相互作用に基づく理論モデルとは整合しない。
• 常温状態の状態密度は、類似材料において前例のない極めて大きな有効質量増大を示しており、理論的説明は存在しない。