[논문 리뷰] Direct evidence for multi-gap nodeless superconductivity in FeSe

Lin Jiao, Chien-Lung Huang외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 06.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 저온 비열 및 스캐닝 턨널링 현미경(STM) 측정을 병행하여 FeSe에서 다중간극 비노드 초전도성에 대한 직접적 증거를 제공한다. 데이터는 더 작은 s파 껍질 간극 Δₛ와 더 큰 확장된 s파 껍질 간극 Δₑₛ를 가진 이중밴드 s + es(확장된 s파) 간극 모델에 잘 맞으며, 쌍대 경계를 가로질러 U자형 터널링 스펙트럼이 관측되어 전체 물질에서 비노드 초전도성이 확인된다.

ABSTRACT

A combined study of low-temperature specific heat $C(T)$ and scanning tunneling microscopy measurements on single crystalline FeSe reveals the existence of two superconducting gaps without nodes. The $C(T)$ data can be represented by a phenomenological two-band model with an s-wave plus an extended s-wave ($s$ + $es$) type gap structure. The estimated s-wave gap magnitude $\Delta_{s}$ is significantly smaller than that of the extended s-wave gap $\Delta_{es}$. An overall U-shaped gap found in the tunneling spectra away as well as on top of twin boundaries is in excellent agreement with the $C(T)$ analysis, confirming nodeless multi-gap superconductivity throughout the FeSe material.

연구 동기 및 목표

• 단일 결정 FeSe의 초전도 간극 구조를 보완적인 실험 기법을 통해 규명하기 위해.
• 특히 간극이 노드가 있는지 여부를 열역학적 및 스펙트로스코픽 탐측을 통해 초전도 간극의 성격을 규명하기 위해.
• 체적 열역학적 측정과 국소 전자 구조 측정을 통해 다중 간극 성분의 존재와 그 대칭성을 검증하기 위해.
• 쌍대 경계와 같은 구조적 결함에서 간극 구조의 일관성을 조사하기 위해.
• 비열 데이터의 현상학적 이중밴드 피팅을 통해 초전도 간극에 대한 정량적 모델을 수립하기 위해.

제안 방법

• 초전도 간극 구조를 밀도 상태를 통해 탐측하기 위해 단일 결정 FeSe에서 저온 비열 $C(T)$ 측정을 수행하였다.
• s파 및 확장된 s파($s$ + $es$) 대칭성을 가진 현상학적 이중밴드 모델을 $C(T)$ 데이터에 피팅하여 간극 크기 Δₛ 및 Δₑₛ를 추출하였다.
• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 국소 밀도 상태를 직접 영상화하여 표면 전체에서의 터널링 스펙트럼을 확보하였다.
• 쌍대 경계에서의 터널링 스펙트럼 분석을 통해 간극의 균일성과 구조적 결함에서의 일관성을 평가하였다.
• STM 스펙트럼에서 관측된 U자형 간극 특징을 $C(T)$ 데이터에서 유도된 이중밴드 모델 예측과 정량적으로 비교하였다.
• 체적 열역학적 반응과 국소 전자 구조 측정 간의 일관성을 바탕으로 초전도 간극에 노드가 존재하지 않음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe는 다중간극 초전도 상태를 나타내는가? 만약 그렇다면 각 간극 성분의 대칭성은 무엇인가?
• RQ2 쌍대 경계와 같은 구조적 결함에서 포함된 전체 피에르피면에서 초전도 간극이 노드가 없는가?
• RQ3 비열 데이터는 이중밴드 s + es 간극 모델로 일관되게 기술될 수 있는가? 그리고 간극의 상대적 크기는 무엇인가?
• RQ4 STM 측정에서의 국소 터널링 스펙트럼은 $C(T)$에서 관측된 체적 열역학적 거동과 일치하는가?
• RQ5 특히 쌍대 경계를 가로질러 FeSe의 초전도 간극 구조는 공간적으로 균일한가?

주요 결과

• 비열 데이터는 이중밴드 $s$ + $es$ 간극 모델에 잘 맞으며, 확장된 s파 간극 $\Delta_{es}$ 는 s파 간극 $\Delta_s$ 보다 현저히 크다.
• 스캐닝 터널링 현미경은 쌍대 경계에서나 그 외 영역에서 모두 U자형 간극 특징을 보이며, 이는 $C(T)$에서 유도된 모델과 일치한다.
• 모든 측정 영역에서 터널링 스펙트럼에 노드가 없음을 확인하여 FeSe 결정 전체에서 비노드 초전도성이 확인된다.
• 체적 열역학적 반응과 국소 스펙트로스코픽 측정 간의 일관성은 다중간극 비노드 초전도성에 대한 강력하고 직접적인 증거를 제공한다.
• 관측된 간극 구조는 쌍대 경계를 가로질러 균일하며, 구조적 비균일성에 대해 초전도 상태의 강건성을 시사한다.
• $C(T)$ 및 STM 데이터로부터 추정한 간극 크기는 뛰어난 일치를 보이며, FeSe에 대한 $s$ + $es$ 간극 모델의 타당성을 뒷받침한다.