[논문 리뷰] Magnetic Impurities on Superconducting Surfaces: Phase Transitions and the Role of Impurity-Substrate Hybridization

Haonan Huang, Robert Drost외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 40인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 초전도 표면에서 유-시바-루신로프(YSR) 상태의 결합 에너지가 자명한 자기 scattering 뿐 아니라, 불순성-기초 기판의 혼성화(Γs)에 의해 강하게 결정됨을 보여준다. 초저온(10 mK) 현미경 및 평균장 근사에서의 앤더슨 불순성 모델에 적합시킨 결과, 저자들은 YSR 상태의 에너지 이동을 Γs와 정량적으로 연관지었으며, 이는 시스템이 약한 또는 강한 산산각산 스캐터링 영역에 있는지를 판단하는 데 기여한다. 이는 터널링 스펙트럼만으로는 해결되지 않는 모순을 해소한다.

ABSTRACT

Spin-dependent scattering from magnetic impurities inside a superconductor gives rise to Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states within the superconducting gap. As such, YSR states have been very successfully modeled with an effective scattering potential (Kondo impurity model). Using a scanning tunneling microscope, we exploit the proximity of the tip to a surface impurity and its influence on the YSR state to make a quantitative connection between the YSR state energy and the impurity-substrate hybridization. We corroborate the coupling between impurity and substrate as a key energy scale for surface derived YSR states using the Anderson impurity model in the mean field approximation, which accurately explains our observations. The model allows to decide on which side of the quantum phase transition the system resides based on additional conductance measurements. We propose that the Anderson impurity model is much more appropriate to describe YSR states from impurities on a superconducting surface than the Kondo impurity model, which is more appropriate for impurities inside a superconductor. We thus provide a first step towards a more quantitative comparison of experimental data with fully correlated calculations based on the Anderson impurity model.

연구 동기 및 목표

• 표면에 흡착된 자기 불순성에서 YSR 상태 에너지와 불순성-기초 기판 혼성화(Γs) 사이의 정량적 연관성을 확립하기 위해.
• 터널링 측정에서의 스펙트럼 대칭성에 의해 가려진, YSR 상태가 약한 또는 강한 산산각산 스캐터링 영역에 있는지를 판단하기 위해.
• 특히 혼성화 효과를 기술하는 데 있어, 표면 YSR 상태에 대해 앤더슨 불순성 모델이 코니 모델보다 더 우수한지를 검증하기 위해.
• Γs를 핵심 에너지 척도로 식별함으로써, 실험 데이터와 완전한 상관 이론 계산 간의 더 정확한 비교를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 자기적 불순성이 내재된 V(100) 표면에서 초저온(10 mK) 현미경(STM) 측정을 수행하였다.
• 팁-표면 거리에 따른 미분 전도도(dI/dV)를 측정하여 YSR 상태 에너지 이동을 탐색하였다.
• BCS 유사 밀도 상태와 티프 갭에 대한 매키 모델을 포함한 수정된 터널링 해밀토니안을 사용하여 실험적 dI/dV 스펙트럼을 적합시켰다.
• 변수를 줄이기 위해 무차원 매개변수 x = EU/EJ, y = Γs/EJ, u = ω/Δ를 사용하고, YSR 상태 에너지 위치에서 Γs를 추출하였다.
• 정상 상태 전도도의 거리 의존성에 의해 Γs 변화를 확인하였으며, 이는 터널링 이론과 일치하는 지수 감쇠를 보였다.
• 앤더슨 불순성 모델에 평균장 근사를 적용하여 그린 함수 및 YSR 상태 에너지에 대한 해석적 표현을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불순성-기초 기판 혼성화(Γs)는 표면 유래 YSR 상태의 결합 에너지에 어떻게 정량적으로 영향을 미치는가?
• RQ2 터널링 스펙트럼만으로는 스핀에 의존하는 산산각산 스캐터링 잠재력의 강도를 판단할 수 있는가, 아니면 추가 정보가 필요한가?
• RQ3 표면 초전도체에서 YSR 상태를 기술하는 데 있어 앤더슨 불순성 모델이 코니 모델보다 더 적합한가?
• RQ4 STM을 사용하여 스크리닝된 상태와 스크리닝되지 않은 상태의 불순성 스핀 간 양자상전이를 실험적으로 진단할 수 있는가?
• RQ5 팁-표면 결합은 YSR 상태 에너지를 어떻게 수정하는가, 그리고 이를 고유한 불순성 특성과 어떻게 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 팁-표면 거리에 따른 YSR 상태 에너지 이동은 불순성-기초 기판 혼성화(Γs)의 변화와 직접적으로 상관되며, 팁이 가까워질수록 Γs가 증가한다.
• 양의 편향 YSR 분지의 음수 에너지(ε+ < 0)로 인해, 시스템은 강한 산산각산 스캐터링 영역(양자상전이를 초월함)에 위치해 있음을 확인하였다.
• 추출된 적합 매개변수에서 주요 데이터 세트에 대해 x = EU/EJ ≈ 0.42로 나타나, 중간 정도의 입자-홀 비대칭성이 있음을 시사한다.
• 정상 상태 전도도 GN은 팁-표면 거리에 따라 지수 감쇠를 보이며, 이는 터널링 이론과 일치하고 Γs의 변화를 확인한다.
• 모델은 스펙트럼 분석에서 발생하는 핵심 모순을 해결하고, 양자상전이에 대한 시스템의 위치를 명확하게 판단할 수 있도록 한다.
• 평균장 근사를 적용한 앤더슨 불순성 모델은 실험적 YSR 데이터를 정량적으로 정확하게 기술하며, 표면 불순성에 대해 코니 모델보다 뛰어난 성능을 보인다.