[논문 리뷰] Determination of the Superconducting Order Parameter from Defect Bound State Quasiparticle Interference

Shun Chi, W. N. Hardy외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 25.

Surface and Thin Film Phenomena참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 철계 초전도체에서 초전도 주문파 rameter의 위상을 직접 탐측할 수 있는 새로운 STM 기반 방법인 결함 결합 상태 준입자 간섭(Dynamic Bound State Quasiparticle Interference, DBS-QPI)을 소개한다. 결함에 의해 유도된 인간 상태에서의 준입자 간섭에 대한 단계 기반 푸리에 변환을 분석함으로써, 저자들은 리튬철아르세니드(LiFeAs)에서 $ s_{\pm} $ 쌍성 대칭을 규명하고 천연 결함이 비자기적임을 밝혀내며, 노드가 없는 초전도체에서 쌍성 대칭과 결함 성질을 구분하는 일반적이고 강력한 접근법을 제공한다.

ABSTRACT

The superconducting order parameter is directly related to the pairing interaction, with the amplitude determined by the interaction strength, while the phase reflects the spatial structure of the interaction. However, given the large variety of materials and their rich physical properties within the iron-based high-Tc superconductors, the structure of the order parameter remains controversial in many cases. Here, we introduce Defect Bound State Quasi Particle Interference (DBS-QPI) as a new method to determine the superconducting order parameter. Using a low-temperature scanning tunneling microscope, we image in-gap bound states in the stoichiometric iron-based superconductor LiFeAs and show that the bound states induced by defect scattering are formed from Bogoliubov quasiparticles that have significant spatial extent. Quasiparticle interference from these bound states has unique signatures from which one can determine the phase of the order parameter as well as the nature of the defect, i.e. whether it is better described as a magnetic vs a nonmagnetic scatterer. DBS-QPI provides an easy but general method to characterize the pairing symmetry of superconducting condensates.

연구 동기 및 목표

• 노드가 없는 다이밴드 초전도체에서 기존 기술이 실패하는 상황에서 초전도 주문파 rameter의 위상을 결정하는 일반적인 방법을 개발하는 것.
• 특히 구멍 띠와 전자 띠의 피어미 표면에서 주문파 rameter가 부호 변화가 있는지($ s_{\pm} $ 대비 $ s_{++} $)에 대한 오랜 논란을 해결하는 것.
• 결함의 성질(자기적 대비 비자기적)을 준입자 간섭 서명을 분석하여 식별하는 것.
• 표준 갭 측정 기술로 접근할 수 없는 복소 주문파 rameter $ \Delta_{\mathbf{k}} = |\Delta_{\mathbf{k}}|e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $, 특히 위상 인자 $ e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $ 를 직접 실험적으로 탐측하는 것.
• 노드나 대칭성 붕괴에 의존하지 않고 인간 상태에서의 결합 상태로부터 쌍성 대칭과 결함 성질을 추출할 수 있는 강력하고 일반화 가능한 방법을 확립하는 것.

제안 방법

• 스토이히오메트릭 리튬철아르세니드에서 천연 결함에 의해 유도된 인간 상태를 저온 스캐닝 터널링 현미경(STM)으로 이미징하는 것.
• 공간적으로 해상도가 높은 터널링 도전도 $ g(V) $ 를 사용하여 이러한 인간 상태에서의 준입자 간섭(QPI) 패턴을 측정함으로써 운동량 공간에서의 산란 특징을 드러내는 것.
• QPI 데이터에 단계 기반 푸리에 변환을 적용하여 양성 및 음성 전압 편향에서 간섭 신호의 부호를 분리함으로써 주문파 rameter의 위상 변화를 직접 감지하는 것.
• 결함에 대해 $ \delta $-함수 잠재력 모델을 사용하여 준입자 산란을 시뮬레이션하고, 이론 계산을 통해 $ s_{\pm} $ 와 $ s_{++} $ 쌍성 상태, 자화 및 비자기 결함 산란를 비교하는 것.
• $ +E_{\text{B}} $ 와 $ -E_{\text{B}} $ 에서 QPI 특징의 부호 반전 또는 유지 여부를 진단 도구로 사용: 부호 반전은 주문파 rameter의 위상 이동을 나타내고, 부호 유지에서는 위상 변화가 없음을 시사한다.
• 세 가지 결함 및 쌍성 대칭 시나리오에 대해 실험적 단계 기반 DBS-QPI 패턴을 이론적 시뮬레이션과 비교하여 최적의 피팅 모델을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결함에 의해 유도된 인간 상태에서의 준입자 간섭은 노드가 없는 다이밴드 초전도체에서 초전도 주문파 rameter의 위상을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 리튬철아르세니드에서 $ s_{\pm} $ 쌍성에 의해 예측된 것처럼, 구멍 띠와 전자 띠 사이에서 초전도 주문파 rameter의 부호가 변화하는가?
• RQ3 리튬철아르세니드의 천연 결함은 자화된 것인가 비자화된 것인가, 그리고 이는 준입자 간섭 패턴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 노드 특성과 회전 대칭 붕괴가 없는 조건에서 단계 기반 DBS-QPI의 푸리에 분석은 $ s_{\pm} $ 와 $ s_{++} $ 쌍성 대칭을 구분할 수 있는가?
• RQ5 DBS-QPI는 비정상 초전도체에서 쌍성 대칭과 결함 성질을 탐측하는 일반적이고 모델에 종속되지 않는 방법으로서 어느 정도의 정도로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• $ \pm 1.2 \, \text{meV} $ 에서의 단계 기반 DBS-QPI는 양성 및 음성 전압 편향 사이에서 $ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ 준입자 간섭 특징의 부호 반전을 보여주며, 주문파 rameter의 부호 변화를 확인한다.
• 실험적 DBS-QPI 패턴은 비자기 결함를 가진 $ s_{\pm} $ 쌍성 상태를 가정한 이론적 시뮬레이션과 가장 잘 일치하며, $ s_{\pm} $ 에서 자화 결함가 있는 경우와 $ s_{++} $ 에서 자화 결함가 있는 경우를 배제한다.
• $ \mathbf{q}_{h_{3}-h_{3}} $ 간섭 특징은 $ +E_{\text{B2}} $ 와 $ -E_{\text{B2}} $ 사이에서 부호를 유지하며 내부 띠 산란에 부합하는 반면, $ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ 는 부호 반전을 보이며, 이는 위상 변화가 상호 띠 산란과 직접적으로 연결됨을 시사한다.
• $ g(V) $ 측정을 통해 $ h_3 $ 과 $ e $ 띠에서 작은 갭이 존재하는 인간 상태의 존재가 확인되었으며, $ \pm 1.2 \, \text{meV} $ 에서 두 개의 별개의 인간 상태 피크가 관측되었다.
• 천연 결함이 비자기적임이 분석을 통해 확인되었으며, 자화 결함를 가정한 시뮬레이션은 관측된 단계 기반 QPI 패턴을 재현하지 못한다.
• DBS-QPI는 노드 특성이나 회전 대칭 붕괴를 요구하지 않으며, 초전도체에서 쌍성 대칭과 결함 성질을 모두 결정하는 강력하고 일반화 가능한 방법을 제공한다.