[논문 리뷰] Effect of electron irradiation on superconductivity in single crystals of Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=$0.24)

R. Prozorov, M. Kończykowski외 6명|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|2014. 05. 13.

Iron-based superconductors research인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 단일 결정 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂ (x=0.24)에서 2.5 MeV 전자 조사에 의한 초전도성 영향을 조사하여, 점 결함이 2.5 MeV 전자 조사로 유도된 바, Tc의 억제 속도가 화학적 도핑 시스템보다 빠르게 일어남을 보여주며, 관측된 Tc 억제 속도는 s± 쌍대칭과 완전히 일치하여 철계 122 초전도체에서 s++ 쌍대칭을 배제함.

ABSTRACT

A single crystal of isovalently substituted Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=0.24$) was sequentially irradiated with 2.5 MeV electrons up to a maximum dose of $2.1 imes 10^{19}$ electrons/cm^2. The electrical resistivity was measured extit{in - situ} at $T=$22 K during the irradiation and extit{ex - situ} as a function of temperature between subsequent irradiation runs. Upon irradiation, the superconducting transition temperature, $T_c$, decreases and the residual resistivity, $ρ_0$, increases. We find that electron irradiation leads to the fastest suppression of $T_c$ compared to other types of artificially introduced disorder, probably due to the strong short-range potential of the point-like irradiation defects. A more detailed analysis within a multiband scenario with variable scattering potential strength shows that the observed $T_c$ vs. $ρ_0$ is fully compatible with $s_\pm$ pairing, in contrast to earlier claims that this model leads to a too rapid a suppression of $T_c$ with scattering.

연구 동기 및 목표

• 제어된 비자성 불순물에 의한 전자 조사를 통해 철계 초전도체의 쌍대칭을 탐색하기 위해.
• 증가하는 잔류 저항률에 따른 Tc 억제가 s± 또는 s++ 쌍대칭 시나리오와 일치하는지 확인하기 위해.
• 화학적 도핑으로 인한 모호함을 제거하기 위해, 밴드 구조에 최소한의 영향을 주는 잘 정의된 점 결함을 생성하기 위해 전자 조사를 사용하기 위해.
• 이론 모델, 특히 변수 산란 잠재력이 있는 다성분 BCS 이론과 Tc 억제 속도를 비교하기 위해.
• s++ 쌍대칭을 배제하기 위해, Tc 억제 속도가 비호전성 s-파iring 쌍대칭에 허용되는 이론적 최대 속도를 초과함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 2.1×10¹⁹ e⁻/cm²의 조사제를 2.5 MeV 전자로 Ba(Fe₁₋₀.₂₄Ru₀.₂₄)₂As₂ 단일 결정을 조사함.
• 조사 중 22 K에서 현장에서 전기 저항을 측정하고, 각 조사 단계 후 온도 함수로 외부에서 측정함.
• 다성분 BCS 모델을 사용하여 내부 및 상호 밴드 산란 잠재력의 가변성을 고려하여 Tc 억제와 잔류 저항률의 관계를 시뮬레이션함.
• 산란 강도 및 회복 속도 조절 가능한 매개변수를 사용하여 이론 곡선을 실험 데이터에 피팅함.
• 관측된 Tc 억제 속도를 화학적 도핑 시스템과 MgB₂와 같은 알려진 s++ 초전도체의 결과와 비교함.
• 자기 결함 형성 여부를 배제하기 위해 저온 침투 깊이 데이터를 분석함. 이는 s++ 쌍대칭에 다르게 영향을 줄 수 있음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 조사 조건에서 Tc 억제 속도가 Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂에서 s± 또는 s++ 쌍대칭 쌍대칭을 지지하는가?
• RQ2 전자 조사를 통해 점 결함을 생성하여 간결하고 비자성 산란 중심으로서 갭 대칭을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 전자 조사에 의한 Tc 억제 속도는 유사한 122 시스템에서 화학적 도핑에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 억제 속도는 강한 국소 잠재력이 있는 다성분 BCS 이론의 s± 쌍대칭과 일치하는가?
• RQ5 조사로 인한 자기 결함이 빠른 Tc 억제를 설명할 수 있는가, 아니면 데이터는 순수하게 비자성 산란과 일치하는가?

주요 결과

• 전자 조사로 Tc는 잔류 저항률 1 μΩ·cm당 약 340 mK의 속도로 억제되었으며, 이는 화학적 도핑 시스템보다 빠름.
• 관측된 Tc 억제 속도는 s± 쌍대칭에 대한 이론 예측과 일치하며, s++ 쌍대칭에 허용되는 최대 억제 속도를 초과함.
• 침투 깊이에 저온 상승 현상은 관측되지 않아 조사 중에 중요한 자기 결함 형성이 없음을 배제함.
• 실험적 Tc vs. ρ₀ 데이터는 변수 산란 잠재력을 가진 다성분 BCS 이론으로 잘 기술되었으며, s± 쌍대칭을 지지함.
• 억제 속도는 대칭적인 s± 쌍대칭에 대한 Abrikosov-Gor’kov 한계와 유사하여 점 결함에 의한 강한 쌍 끊기 효과를 나타냄.
• 최근의 밀도함수 이론 예측에서 제안한 s++ 쌍대칭(비저항 임계값 약 10 μΩ·cm)과 모순됨. 관측된 Tc 억제의 임계 저항률은 약 1 mΩ·cm 뿐임.