[논문 리뷰] Microwave Penetration Depth and Quasiparticle Conductivity in Single Crystal PrFeAsO_1-y: Evidence for Fully Gapped Superconductivity

K. Hashimoto, T. Shibauchi외 10명|arXiv (Cornell University)|2008. 06. 19.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초전도체인 PrFeAsO₁₋ᵧ 단일결정체(T_c ≈ 35 K)에서 28 GHz에서 평면 내 마이크로파 침투 깊이 λₐ_b와 준입자 전도도를 초전도성 공진기로 측정하였다. 저온에서 평탄한 λₐ_b(T) 곡선과 T_c 이하에서 증가하는 마이크로파 전도도는 전도대 전체에서 Δ/k_BT_c ≳ 1.6인 완전히 갭이 있는 초전도 상태를 강력히 뒷받침하며, 고임계온도 컵레이트의 거동와 유사하다.

ABSTRACT

In-plane microwave penetration depth $\lambda_{ab}$ and quaiparticle conductivity at 28 GHz are measured in underdoped single crystals of the Fe-based superconductor PrFeAsO$_{1-y}$ ($T_c\approx 35$ K) by using a sensitive superconducting cavity resonator. $\lambda_{ab}(T)$ shows flat dependence at low temperatures, which is incompatible with the presence of nodes in the superconducting gap $\Delta({\bf k})$. The temperature dependence of the superfluid density demonstrates that the gap is non-zero ($\Delta/k_BT_c\gtrsim 1.6$) all over the Fermi surface. The microwave conductivity below $T_c$ exhibits an enhancement larger than the coherence peak, reminiscent of high-$T_c$ cuprate superconductors.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체 PrFeAsO₁₋ᵧ의 과도한 도핑 단일결정체에서 초전도 갭 구조를 조사하기 위해.
• 마이크로파 운반 측정을 통해 초전도 갭이 노드를 가지는지 여부를 판단하기 위해.
• 특히 초전도성의 일관성 피크 행동과 비교하여 PrFeAsO₁₋ᵧ의 준입자 반응을 고임계온도 컵레이트와 비교하기 위해.
• 간섭도 밀도와 그 온도 의존성을 초전도 갭 대칭성과 크기의 탐지 수단으로 평가하기 위해.

제안 방법

• 28 GHz에서 민감한 초전도성 공진기로 평면 내 마이크로파 침투 깊이 λₐ_b를 측정하였다.
• 동일한 마이크로파 공진 측정에서 복소 전도도의 실수부에 민감한 준입자 전도도를 추출하였다.
• 저항 및 불순물 산란이 최소화된 고품질의 PrFeAsO₁₋ᵧ 단일결정체(T_c ≈ 35 K)에서 측정를 수행하였다.
• λₐ_b의 온도 의존성을 분석하여 초전도 밀도와 갭 구조를 유추하였다.
• 관측된 마이크로파 전도도를 노드 없는 초전도체와 노드가 있는 초전도체에 대한 이론적 예측과 비교하였다.
• BCS 유사 행동을 중심으로 초전도 갭의 비율 Δ/k_BT_c에 중점을 두어 데이터를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PrFeAsO₁₋ᵧ에서 마이크로파 침투 깊이 λₐ_b의 온도 의존성은 초전도 갭에 노드가 존재하는가를 나타내는가?
• RQ2 초전도 밀도에서 유추된 바에 따르면, 초전도 갭의 크기는 T_c에 비해 어느 정도인가?
• RQ3 T_c 이하에서 준입자 전도도는 고임계온도 컵레이트에서 관측된 것과 유사한 일관성 피크 증가를 보이는가?
• RQ4 λₐ_b의 저온 행동에 따르면, 전체 전도대에 걸쳐 초전도 갭이 완전히 갭이 있는가?
• RQ5 PrFeAsO₁₋ᵧ의 마이크로파 반응은 다른 철기반 및 컵레이트 초전도체와 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• 평면 내 마이크로파 침투 깊이 λₐ_b는 저온에서 거의 일정하게 유지되며, 노드가 없는 완전히 갭이 있는 초전도 상태임을 나타낸다.
• λₐ_b(T)에서 유도된 초전도 밀도는 절대온도로 외삽했을 때 비제로 값을 가지며, 전도대 전체에서 유한한 갭 크기를 확인한다.
• 초전도 갭과 T_c의 비율은 Δ/k_BT_c ≳ 1.6로 나타나며, 강한 결합, 완전히 갭이 있는 초전도체임을 뒷받침한다.
• T_c 이하에서의 마이크로파 전도도는 일반적인 일관성 피크를 초월하는 증가를 보이며, 고임계온도 컵레이트에서 관측된 특성과도 일치한다.
• 저온에서 λₐ_b의 T선형 의존성이 없음을 고려하면 갭 함수에 선형 노드가 존재하지 않음을 배제하며, 노드 없는 s-파 또는 확장된 s-파 쌍성 대칭을 지지한다.
• 모든 데이터는 과도한 도핑된 PrFeAsO₁₋ᵧ에서 완전히 갭이 있는 초전도 상태를 뒷받침하며, 노드가 있는 철기반 또는 d-파 컵레이트 초전도체와는 다릅니다.