[論文レビュー] Unusual temperature evolution of superconductivity in LiFeAs

Pranab Kumar Nag, Ronny Schlegel+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、原子的に滑らかな表面における高分解能走査トンネル分光法を用いて、化学 stoichiometric LiFeAs において非同尋な二段階の超伝導転移を明らかにした。18 K で、コherencyピークとディップ・ハム構造を示す部分的超伝導ギャップが出現し、強い結合超伝導を示す。この状態は 16 K で著しく変化し、完全ギャップ状態に移行する。同時にギャップエネルギーはほぼジャンプ的に増加し、低温値の 87% に達するが、ボソンモードエネルギーはほぼ一定であり、非共鳴スピンフラクチュエーションとは関連しないと考えられる。

ABSTRACT

We have performed temperature dependent tunneling spectroscopy on an impurity-free surface area of a LiFeAs single crystal. Our data reveal a highly unusual temperature evolution of superconductivity: at $T_c^*=18$~K a partial superconducting gap opens, as is evidenced by subtle, yet clear features in the tunneling spectra, i.e. particle-hole symmetric coherence peaks, and a dip-hump structure which signals strong-coupling superconductivity. At $T_c=16$~K, these features substantiate dramatically and become characteristic of full superconductivity. Remarkably, this is accompanied by an almost jump-like increase of the gap energy at $T_c$ to about 87\% of its low-temperature gap value. The energy of the bosonic mode as measured by the distance between the coherence peak and the higher-energy dip remains practically constant in the whole temperature regime $T\leq T_c^*$. The comparison of these findings with established experimental and theoretical results lead us to suggest that the bosonic mode is not directly related to incommensurate spin fluctuations that have previously been observed in inelastic neutron scattering.

研究の動機と目的

• 化学 stoichiometric LiFeAs in における超伝導の固有の温度依存的変化を原子スケール分解能で調査すること。
• 異なる実験的手法で報告された臨界温度 (Tc) の長年の不一致を解明すること。
• 観測されたボソンモードが、非共鳴スピンフラクチュエーションと関連しているかどうかを特定すること。
• 多バンド超伝導およびフェルミ表面トポロジーが LiFeAs の非同尋な超伝導挙動に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 化学 stoichiometric LiFeAs 単結晶の不純物を含まない、原子的に平坦な表面で走査トンネル分光法 (STS) を実施した。
• 超伝導転移領域において、正確な試料環境制御と表面状態を保った状態で、温度依存の dI/dV スペクトルを取得した。
• 試料は自己フラックス法で調製され、75As NQR を用いて高い化学 stoichiometric 均一性と低欠陥密度を確認した。
• STS データは、コherencyピーク、ディップ・ハム構造、ボソンモードエネルギー (Ω) を温度関数として追跡し分析した。
• 結果は、ARPES バンド構造データ、非弾性中性子散乱 (INS) の結果、多バンド超伝導の理論モデルと比較した。
• 二段階転移を解釈するために、α、β、γ フェルミ表面ポケットに異なる超伝導ギャップを持つ多バンドシナリオを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LiFeAs は、初期に部分ギャップが形成され、その後に完全ギャップが発現する二段階の超伝導転移を示すか？
• RQ2 観測されたボソンモードエネルギー (Ω) は Tc* 未満で温度に依存せず、その起源に何を示唆するか？
• RQ3 異なる実験手法で報告された Tc 値の不一致は、固有の局所的電子不均一性または多バンド効果によって説明可能か？
• RQ4 強い結合の特徴を示すボソンモードは、非弾性中性子散乱で観測された非共鳴スピンフラクチュエーションと関連しているか？
• RQ5 多バンド理論が予測するように、k_z ≈ π における α バンドで超伝導が開始され、k_z ≈ 0 での完全超伝導に至るか？

主な発見

• Tc* = 18 K で、粒子・ホール対称性を持つコherencyピークとディップ・ハム構造を示す部分的超伝導ギャップが出現し、強い結合超伝導の開始を示す。
• Tc = 16 K で、コherencyピークが ±6 mV にシフトし、低温ギャップ値の約 87% に相当する。これは超伝導ギャップの著しい増幅を示している。
• ボソンモードエネルギー（コherencyピークとディップの間隔として測定）は、T = 0 K から Tc* までほぼ一定であり、Tc でのわずかな低下のみを示す。
• ボソンモードは、非弾性中性子散乱で観測された非共鳴スピンフラクチュエーションとは直接関連しない。これは、それらのフラクチュエーションが α バンドではなく γ および β バンドの励起に起因するためである。
• 18 K と 16 K の二つの明確な転移温度は、試料の不均一性ではなく材料固有の性質であり、高品質な NQR および単一で清浄な表面領域での STS により確認された。
• データは、超伝導が最初に k_z ≈ π における α フェルミ表面ポケットで発現し、低温で全フェルミ表面ポケットにわたる完全ペアリングが成立する多バンド超伝導シナリオを支持している。