[논문 리뷰] Mapping of Yu-Shiba-Rusinov states from an extended scatterer

Markus Etzkorn, Matthias Eltschka외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초전도체 V(100) 표면 위에 배치된 구리 페탈로시아이아이닌(CuPc) 분자에 의해 유도된 유-시바-루신وف(YSR) 상태를 고해상도 분자 이하 해상도로 매핑한다. 주로 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여, YSR 상태가 다양한 분자 오비탈에서 기인하며, 분자 외부로 공간적 진동을 보이고, 입자 및 구멍 성분 간의 최소한의 위상 차이를 보임을 규명한다—이는 점입자 산산이 아닌 확장된 산산행동의 증거이며, 원자성 불순물에 기반한 전통적 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We investigate the spatial evolution of Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states resulting from the interaction between Copper phthalocyanine molecules and a superconducting Vanadium (100) surface with submolecular resolution. Each molecule creates several YSR states at different energies showing distinctly different spatial intensity patterns. Surprisingly, on the molecules the largest YSR intensities are found not at the metal center, but close to one of the pyrrolic N-atoms, demonstrating strong molecular substrate interactions via the organic ligands. Energy resolved YSR maps reveal that the different YSR states originate from different molecular orbitals. We also follow the YSR states well-beyond the extent of the molecules and find clear oscillations of the YSR intensities without strong particle hole scattering phase differences. This is in contrast to expectations from a point scattering model and recent experimental findings on atomic impurities on superconductors. Our results can be explained by treating the molecular system as extended scatterer. Our findings provide new insights that are crucial to interpret the effects of a variety of magnetic systems on superconductors, in particular also those discussed in the context of Majorana bound states, which because of their size can not be considered point like as well.

연구 동기 및 목표

• 비점입자 형태의 분자 산산에 의해 유도된 초전도체 표면 상의 유-시바-루신옵 상태의 공간적 진화를 조사하기 위해.
• 분자 오비탈 구조와 확장된 산산 잠재력이 YSR 상태 분포 및 강도 패턴에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 분자의 범위를 초월한 YSR 상태를 분석함으로써 기존의 점산산 모델을 도전하기 위해, 특히 입자 및 구멍 성분 간의 위상 일관성을 중심으로 한다.
• 특정 원자적 위치(예: 피롤리드 질소 원자) 근처에서 분자 기초 상호작용이 YSR 상태 국소화에 미치는 역할을 명확히 하기 위해.
• 크기 효과가 핵심적인 마요라나 고립 상태를 포함한 시스템에서 확장된 산산의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 초저온 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 15 mK에서 초고진공 조건에서 실시하여 (5×1) 재구성된 V(100) 표면에서 분자 이하 해상도를 확보한다.
• 개별 CuPc 분자의 다양한 위치에서 에너지 해상도가 뛰어난 미분 전도도(dI/dV) 스펙트럼을 측정하여 YSR 상태의 에너지 및 공간 분포를 매핑한다.
• 공간 해상도가 확보된 YSR 매핑을 통해 분자 경계를 초월한 강도 진동을 추적하고, 입자 및 구멍 성분 간의 위상 일관성을 분석한다.
• DFT 계산된 분자 오비탈 밀도와의 연관성을 통해 특정 오비탈에 해당하는 상태를 할당하며, 특히 피롤리드 질소 원자와 관련된 오비탈에 초점을 맞춘다.
• 터널 접합 용량의 유한성을 고려하여 STM 데이터의 에너지 해상도 브로드닝을 보정함으로써 YSR 피크 너비의 정확한 해석을 보장한다.
• 실험적 YSR 패atters를 확장된 산산에 기반한 이론 모델과 비교하며, 표준 점산산 모델(sinusoidal wavefunctions of the form sin(kFr - δ±)/(kFr))과 대비한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점입자 불순물이 아닌 확장된 분자 산산에 의해 유도된 YSR 상태는 어떻게 공간적으로 분포하는가?
• RQ2 CuPc에서 중심 구리 이온이 아닌 피롤리드 질소 원자 근처에서 관측된 강도 최대치의 기원은 무엇인가?
• RQ3 산산이 확장된 경우 입자-구멍 YSR 상태 간 위상 차이는 어느 정도이며, 이는 원자 불순물과 어떻게 다를까?
• RQ4 다른 분자 오비탈에서 기인한 YSR 상태는 공간적 및 에너지적 특성으로 구별될 수 있으며, 그들의 파동함수는 오비탈 대칭성을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 초전도체 갭 내 유한한 상태 밀도가 초저온 STM 실험에서 YSR 상태의 수명 및 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CuPc 분자가 V(100) 표면에 유도하는 YSR 상태는 분자 경계를 훨씬 초월해 강한 공간적 진동을 보이며, 입자 및 구멍 성분 간에 유의미한 위상 차이가 없음을 확인한다.
• 최저 에너지 상태에서 가장 높은 YSR 강도는 중심 구리 이온이 아닌 페탈로시아이아이닌 리간드 상의 피롤리드 질소 원자 근처에 국소화되어 있으며, 이는 초전도체 응집 상태와의 강한 오비탈 특이적 결합을 시사한다.
• 유사한 에너지(Ei/Δ ≈ 0.5)를 가진 서로 다른 YSR 상태는 DFT 계산된 오비탈 밀도와의 공간적 상관관계를 통해 서로 다른 분자 오비탈에서 기인함을 확인한다.
• 관측된 YSR 파동함수 패턴은 분자를 파장 척도(λF ≈ 1 nm)의 구조적 잠재력을 가진 확장된 산산으로 간주할 때 가장 잘 설명되며, 이는 점산산 모델과 정면으로 배치된다.
• 측정된 YSR 상태 수명 브로드닝은 약 10 μeV로 일관되며, 이는 양자 한계 해상도를 나타내며, 현미경 톱에 의한 중대한 외부 영향는 배제됨을 시사한다.
• 초전도체 갭 내 유한한 상태 밀도는 YSR 상태의 효율적 붕괴 경로를 제공하며, 특히 초저온에서의 STM 데이터 해석에 주의가 필요하다.