[논문 리뷰] Evidence of a d to s-wave pairing symmetry transition in the electron-doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$

Amlan Biswas, P. Fournier외 4명|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 28.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 전자 도핑된 Pr₂₋ₓCeₓCuO₄ (PCCO)에서 도핑 농도가 증가함에 따라 d-파일에서 s-파일 쌍화 대칭 전이를 point contact spectroscopy (PCS)를 통해 규명한다. 과도도 PCCO (x ≈ 0.13)에서는 영점 투과도 피크가 Andreev 유한 상태를 확인하여 d-파일 대칭을 지시하고, 과도도 PCCO (x ≈ 0.17)에서는 이러한 피크의 부재가 s-파일 쌍화를 지지하며, 최적 도핑 근처에 양자临계점이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We present point contact spectroscopy (PCS) data for junctions between a normal metal and the electron doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ (PCCO). For the underdoped compositions of this cuprate ($x \sim 0.13$) we observe a peak in the conductance-voltage characteristics of the point contact junctions. The shape and magnitude of this peak suggests the presence of Andreev bound states at the surface of underdoped PCCO which is evidence for a d-wave pairing symmetry. For overdoped PCCO ($x \sim 0.17$) the PCS data does not show any evidence of Andreev bound states at the surface suggesting an s-wave pairing symmetry.

연구 동기 및 목표

• Pr₂₋ₓCeₓCuO₄ (PCCO)와 같은 전자 도핑된 커퍼레이트에서의 쌍화 대칭에 대한 오랜 논란을 해결하기 위해.
• PCCO에서 초전도 상태의 주요 파라미터가 d-파일인지 s-파일인지, 특히 과도도에서 과도도 영역으로의 도핑 변화에 따라 어떻게 변화하는지를 규명하기 위해.
• n-도핑된 커퍼레이트에서 d-파일 쌍화 대칭의 직접적 증거로서 Andreev 유한 상태(ABS)의 존재를 조사하기 위해.
• d-파일에서 s-파일 쌍화로의 대칭 전이에 기반하여 전자 도핑된 커퍼레이트에서의 양자临계점(QCP) 존재 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Pr₂₋ₓCeₓCuO₄를 펄스 레이저 증착법으로 LaAlO₃ 및 YSZ 기반체에 c-축 방향으로 정렬된 박막을 성장시킨 후, c-축에 수직인 전류 흐름을 확보하고 다수의 a-b 평면 방향을 샘플링하기 위해 금 나침반을 갈라진 PCCO 박막의 측면에 압착하여 저저항, 저장애 접합(low Z)을 형성하였다.
• 1.6 K에서 락인 기법을 사용하여 열 스메어링을 최소화하고 저에너지 특징의 해상도를 향상시키기 위해 G-V 특성 측정을 수행하였다.
• 측정된 데이터는 이론 모델과 비교하여 분석되었으며, s-파일의 경우 BTK 이론, d-파일의 경우 Kashiwaya 등이 제시한 모델을 사용하였으며, 특히 영점 투과도 피크(ZBCP)의 유무에 초점을 맞추었다.
• G-V 곡선에서 초전도 갭 Δ_SC를 추출하고, Ce 농도 x에 따른 변화를 추적하였으며, T_c와의 관계도 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도도 PCCO에서 Andreev 유한 상태에 의해 지시되는 바와 같이, 전자 도핑된 커퍼레이트인 Pr₂₋ₓCeₓCuO₄는 과도도 영역에서 d-파일 쌍화 대칭을 나타내는가?
• RQ2 과도도 PCCO에서 영점 투과도 피크의 부재에 의해 지시되는 바와 같이, 쌍화 대칭이 s-파일로 전이되는가?
• RQ3 d-파일에서 s-파일 쌍화로의 대칭 전이에 기반하여, 전자 도핑된 커퍼레이트에서 최적 도핑 근처에 양자临계점(QCP)이 존재하는가?
• RQ4 이전 실험들, 예를 들어 침투 깊이 및 터널링 측정에서 PCCO에 대해 쌍화 대칭에 대해 모순된 결과를 도출한 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 저저항 점접합에서 과도도 PCCO(x = 0.13)에서 넓은 영점 투과도 피크(ZBCP)가 관측되어 Andreev 유한 상태의 존재를 확인하였으며, 이는 d-파일 쌍화 대칭에 대한 강력한 증거를 제공한다.
• 과도도 PCCO(x = 0.17)에서는 G-V 곡선에서 ZBCP가 관측되지 않았고, 데이터는 s-파일 쌍화 모델에 잘 맞아떨어져 쌍화 대칭이 s-파일로 전이됨을 시사한다.
• 초전도 갭 Δ_SC는 Ce 농도 증가에 따라 단조롭게 감소하였으며, x = 0.13에서 약 6.5 meV에서 x = 0.17에서 약 3.4 meV로 감소하여 약한 결합 BCS 값에 가까워졌다.
• 비율 2Δ_SC / k_B T_c는 과도도 영역에서 약 12.4에서 과도도 영역에서 약 3.4로 감소하여 초전도 쌍화 메커니즘의 급격한 변화를 나타낸다.
• 과도도 PCCO에서 고저항(high Z) 접합에서 ZBCP가 관측되지 않은 것은 질서의 부족과 열 스메어링으로 인한 피크 억제로 기인하며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• 관측된 d-파일에서 s-파일 쌍화 대칭 전이는 전자 도핑된 커퍼레이트에서 최적 도핑 근처에 양자临계점이 존재할 가능성을 시사하며, 이는 이전 실험에서의 모순된 결과를 설명할 수 있을 것이다.