[논문 리뷰] Magnetic penetration depth of single crystal SmFeAsO_{1-x}F_y: a fully gapped superconducting state

Liam Malone, J. D. Fletcher외 6명|ArXiv.org|2008. 06. 24.

Iron-based superconductors research인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 Tc ≈ 45 K인 단일 결정 SmFeAsO₀.₈F₀.₂에서 고주파수 터널 다이오드 온도계를 사용하여 평면 내 자기 침투 깊이를 측정하여 저온에서 지수 온도 의존성을 보이며, 완전히 갭이 있는 s파형 초전도 상태임을 밝혀냈다. 데이터는 작은 갭 Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc와 지배적인 더 큰 갭 Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc를 가진 이중 갭 BCS 모델에 잘 맞으며, 초전도 밀도의 80%를 차지하여 갭의 강한 이방성 또는 다수의 피어미 표면 시트를 시사한다.

ABSTRACT

We report measurements of the in-plane magnetic penetration depth $λ$ in single crystals of SmFeAsO$_{1-x}$F$_y$ ($x\simeq y \simeq 0.2$) with $T_c \simeq 45$ K. We find that at low temperature $λ$ has an exponential temperature dependence which suggests that the Fermi surface is fully gapped. The magnitude of the minimum energy gap, $Δ_1=1.1\pm 0.1 k_BT_c$ at T=0 K, is significantly smaller than the BCS weak-coupling value suggesting that the gap is either strongly anisotropic or varies significantly between the different Fermi surface sheets. Our data fits well a two gap model with an additional larger gap of magnitude $Δ_2 = 1.8\pm0.2 k_BT_c$ which is associated with $\sim 80$% of the total superfluid density.

연구 동기 및 목표

• Tc ≈ 45 K인 고순도 단일 결정 SmFeAsO₀.₈F₀.₂에서의 초전도 갭 구조를 규명하는 것.
• 표면에 민감한 점접촉 안드레이브 스펙트로스코피에서의 갭 대칭성에 대한 모순된 보고를 해소하기 위해 부피에 민감하고 표면에 민감하지 않은 探침을 사용하는 것.
• 일부 이론 모델이 예측한 바와 같이 초전도 상태가 완전히 갭이 있는지 또는 노드가 없는지를 확인하는 것.
• 이중 갭 모델을 통해 다수의 피어미 표면 시트가 초전도 밀도에 기여하는 비율을 정량화하는 것.

제안 방법

• 12 MHz 정도에서 고주파수 터널 다이오드 온도계 기술을 사용하여 ab 평면의 자기 침투 깊이 λab를 측정하였다.
• 샘플는 사파이어 막대에 부착되어 솔레노이드 코ils에 넣어졌으며, 자기장은 c축을 따라 정렬되어 ab 평면에 스크리닝 전류를 유도하였다.
• 기본 온도에서의 기준 측정과 알려진 샘플 치수를 사용하여 공진 회로의 주파수 이동을 Δλ(T)로 校정하였다.
• 저온 데이터는 BCS 지수 형태에 맞춰서 최소 갭 Δ₁를 추출하기 위해 피팅되었다.
• λ(0) ≈ 2100 ± 300 Å의 토크 측정에서 유도된 λ²(0)/λ²(T)의 전체 온도 초전도 밀도 ρ(T)를 계산하였다. 이는 이중 갭 모델 피팅을 가능하게 하였다.
• 이중 갭 BCS 모델을 사용하여 초전도 밀도를 피팅하였으며, 작은 갭에서의 초전도 밀도 기여 비율 x와 갭 크기 Δ₁, Δ₂를 매개변수로 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmFeAsO₀.₈F₀.₂에서의 초전도 상태는 침투 깊이의 온도 의존성이 지수적임을 보이며, 완전히 갭이 있는 s파형 대칭을 나타내는가?
• RQ2 만약 다수의 초전도 갭이 존재한다면, 총 초전도 밀도에 대한 그 크기와 기여 비율은 무엇인가?
• RQ3 점접촉 안드레이브 스펙트로스코피로 얻은 결과와 비교하여, 다이아몬드 기반 다결정 샘플에서 보고된 갭 값은 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 갭 변화는 서로 다른 갭 크기를 가진 다수의 피어미 표면 시트에 기인한 것인가, 아니면 오더 파라미터의 부드러운 각도 이방성에 기인한 것인가?
• RQ5 데이터는 이중 갭 모델로 일관되게 설명될 수 있는가, 아니면 단일 갭 이방성 상태와 동등한 타당성이 있는가?

주요 결과

• ab 평면 내 자기 침투 깊이는 약 6 K 이하에서 지수적 온도 의존성을 보이며, 완전히 갭이 있는 초전도 상태임을 확인한다.
• T=0 K에서 최소 에너지 갭은 Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc이며, 약한 결합 BCS 값보다 현저히 작다.
• 이중 갭 BCS 모델은 전체 온도 범위의 초전도 밀도에 대해 뛰어난 피팅을 제공하며, 두 번째 갭 Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc (6.4 ± 0.7 meV)를 포함한다.
• 더 큰 갭 Δ₂는 총 초전도 밀도의 80 ± 5%를 차지하며, 초전도 반응을 지배함을 시사한다.
• 데이터는 중간 정도의 이방성을 가진 완전히 갭이 있는 s파형 상태와 일관되며, 오더 파라미터의 부드러운 각도 변화는 명확히 배제할 수 없다.
• 작은 갭의 기여가 초전도 밀도에 미치는 영향이 미미하므로 표면에 민감한 측정에서 감지되지 않을 수 있음을 고려할 때, 이전의 점접촉 안드레이브 스펙트로스코피와의 모순을 해소한다.