[논문 리뷰] Two distinct superconducting pairing states divided by the nematic end point in FeSe$_{1-x}$S$_{x}$

T. Hanaguri, Katsuya Iwaya외 6명|Kyoto University Research Information Repository (Kyoto University)|2017. 10. 06.

Iron-based superconductors research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 분광 영상 스캐닝 터널링 현미경(SI-STM)을 사용하여 FeSe₁₋ₓSₓ에서 초전도 갭이 나머지 전이점(NET, x = 0.17)에서 정확히 갑작스럽게 불연속적으로 감소하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 나머지 밴드 구조가 NET에서 이상 징후 없이 점진적으로 등방성으로 변화하는 데에도 불구하고 그렇다. 결과는 초전도 상자 갭 크기가 근본적으로 다른 두 개의 초전도 쌍성 상태가 존재하며, 이는 나머지 질서의 유무에 의해 결정되며, 나머지 강도에 의해 결정되지 않는다는 것을 시사하며, dₓz 및 d_yz 오비탈에 대한 궤도 선택적 쌍성과 관련이 있다.

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often competes or coexists with other electronic orders. In iron-based superconductors, relationship between superconductivity and the nematic state, where the lattice rotational symmetry is spontaneously broken in the electronic states, has been discussed but unclear. Using spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy, we investigate how the band structure and the superconducting gap evolve in FeSe$_{1-x}$S$_x$, as the sulfur substitution suppresses nematicity that eventually diminishes at the nematic end point (NEP) at $x=0.17$. Anisotropic quasiparticle-interference patterns, which represent the nematic band structure, gradually become isotropic with increasing $x$ without detectable anomalies in the band parameters at the NEP. By contrast, the superconducting gap, which is almost intact in the nematic phase, suddenly shrinks as soon as $x$ exceeds the NEP. Our observation implies that the presence or absence of nematicity results in two distinct pairing states, whereas the pairing interaction is insensitive to the strength of nematicity. This provides a clue for understanding the pairing mechanism.

연구 동기 및 목표

• FeSe₁₋ₓSₓ에서 나머지 전이점(NEP)을 통해 전자 구조와 초전도 갭의 변화를 조사하기 위해.
• NEP가 초전도 상태에서 양자 상전이를 나타내는가를 확인하기 위해.
• 나머지성(nematicity)이 초전도 쌍성 메커니즘을 어떻게 형성하는지 명확히 하기 위해.
• 나머지 질서와 밴드 구조가 초전도성에 미치는 영향을 구분하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 FeSe₁₋ₓSₓ 단결정에서 1.5 K(0.45 K, x=0.23일 경우)에서 0 ≤ x ≤ 0.25 범위의 SI-STM 측정을 수행하였다.
• 표면형상 영상 분석을 통해 원자 위치 수를 세어 탄소 농도를 정확히 결정하였으며, 분포 불균형 없이 균일한 치환을 확인하였다.
• 고체 상태의 전자 간섭 패턴을 추출하기 위해 분광 영상의 푸리에 변환을 수행하여 밴드 구조와 그 이방성을 매핑하였다.
• 국소 터널링 스펙트럼에서 초전도 갭을 추출하였으며, 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 2mm 점군 대칭성에 따라 데이터를 대칭화 하였다.
• 재현성과 통계적 신뢰성을 확보하기 위해 여러 개의 샘플과 시야를 통해 측정을 반복하였다.
• 모든 샘플 간의 일관된 비교를 위해 데이터를 1.5 K에서의 페르미-디랙 함수와 컨볼루션 처리 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSe₁₋ₓSₓ에서 x=0.17에 위치한 나머지 전이점(NEP)이 초전도 갭에 갑작스러운 변화를 유도하는가?
• RQ2 황성 밴드 구조는 황성 치환에 따라 어떻게 변화하며, NEP에서 감지 가능한 이상 징후가 있는가?
• RQ3 초전도 갭은 나머지성 강도에 민감한가, 아니면 나머지 질서의 유무에 민감한가?
• RQ4 나머지 상과 테트라곤 상에서의 쌍성 상호작용의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 초전도 갭은 나머지 상(x < 0.17)에서는 거의 변화가 없지만, NEP를 초월하는 순간(x > 0.17)에 급격하고도 뚜렷한 감소를 보인다.
• 이sovotropic한 QPI 패턴을 통해 나타나는 나머지 밴드 구조는 점진적으로 x 증가에 따라 등방성으로 변화하며, NEP에서 이상 징후는 없었다.
• 밴드 매개변수, 즉 피어미 표면 크기와 면내 이방성은 NEP를 넘어서도 매끄럽게 변화하여 정상 상태 전자 구조에 급격한 변화가 없음을 시사한다.
• 반면에 밴드 변화는 매끄럽지만 NEP에서 초전도 갭이 급격히 감소함에 따라, 나머지 전이에 의해 분리된 두 개의 초전도 쌍성 상태가 존재함을 시사한다.
• 결과는 궤도 선택적 쌍성 시나리오를 지지하며, 나머지 상에서는 dₓz 또는 d_yz 오비탈 중 하나에서만 쌍성이 효과적으로 일어나며, 나머지 질서 형성과 동시에 쌍성 상호작용이 즉각 포화됨을 의미한다.
• 나머지 상에서 갭 이상 징후가 없고, NEP에서 불연속성이 나타나는 것으로 보아, 쌍성 상호작용은 나머지 강도에 민감하지 않지만, 나머지 질서의 유무에 매우 민감함을 시사한다.