[논문 리뷰] Universal heat conduction in the iron-arsenide superconductor KFe2As2 : Evidence of a d-wave state

Jean Philippe Reid, Tanatar, M. A.외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 16.

Iron-based superconductors research인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 불순성 산란에 관계없이 보편적인 열전도성을 보이는 것으로, 철- arsenide 초전도체 KFe2As2에서 d-파동 쌍성대 대칭이 뚜렷한 증거를 제공한다. 50 mK까지 측정된 열전도도에서 잔류 선형항 κ₀/T는 불순성에 의해 영향을 받지 않으며, dₓ²⁻y² 쌍성대가 특징짓는 대칭에 의해 강제된 선형 노드의 특성과 일치하며, 우연의 선형 노드를 가진 s-파동 상태와는 일치하지 않는다.

ABSTRACT

The thermal conductivity of the iron-arsenide superconductor KFe2As2 was measured down to 50 mK for a heat current parallel and perpendicular to the tetragonal c-axis. A residual linear term (RLT) at T=0 is observed for both current directions, confirming the presence of nodes in the superconducting gap. Our value of the RLT in the plane is equal to that reported by Dong et al. [Phys. Rev. Lett. 104, 087005 (2010)] for a sample whose residual resistivity was ten times larger. This independence of the RLT on impurity scattering is the signature of universal heat transport, a property of superconducting states with symmetry-imposed line nodes. This argues against an s-wave state with accidental nodes. It favors instead a d-wave state, an assignment consistent with five additional properties: the magnitude of the critical scattering rate for suppressing Tc to zero; the magnitude of the RLT, and its dependence on current direction and on magnetic field; the temperature dependence of the thermal conductivity.

연구 동기 및 목표

• 열전도도를 탐침으로 사용하여 철- arsenide 초전도체 KFe2As2에서의 쌍성대 대칭을 규명하는 것.
• 대칭에 의해 강제된 노드를 가진 d-파동 쌍성대와 우연의 노드를 가진 s-파동 쌍성대를 구별하는 것.
• 다양한 불순성 산란과 자장 조건에서 노드를 가진 준입자들이 얼마나 견고한지 조사하는 것.
• 관측된 열운반 거동이 d-파동 초전도체에 대한 이론 예측과 일치하는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 열전도도 κ를 단결정 KFe2As2에서 c축에 평행하고 수직인 열전류 방향으로 50 mK까지 측정하였다.
• Abrikosov-Gorkov 공식을 사용하여 불순성에 의한 Tc 감소를 임계 산란률 Γc와 연관지었다.
• κ/T의 T² 의존성을 분석하여 준입자 기여를 추출하고 불순성 대역폭 γ를 추정하였다.
• vortex 형성에 의한 준입자 자극을 조사하기 위해 κ₀/T의 자장 의존성을 측정하였다.
• d-파동 및 s-파동 초전도체에 대한 이론 모델과 비교하여 온도 및 자장 의존성을 분석하였다.
• 다양한 잔류 저항비(RRR)를 가진 샘플 간의 데이터를 정규화하여 내재된 운반 거동을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잔류 선형항 κ₀/T가 불순성 산란의 변화에 영향을 받지 않고 일정한가? 이는 보편적 열운반을 의미하는가?
• RQ2 관측된 노드를 가진 준입자 거동은 d-파동 갭인지, 혹은 우연의 선형 노드를 가진 s-파동 상태인가?
• RQ3 저온에서 κ/T의 온도 의존성은 d-파동 및 s-파동 갭에 대한 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 Tc를 완전히 억제하기 위해 필요한 임계 산란률 Γc는 얼마이며, 이는 d-파동 쌍성대에 대한 기대와 일치하는가?
• RQ5 κ₀/T의 자장 의존성은 초전도 갭 내의 노드 존재를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 잔류 선형항 κ₀/T는 불순성 산란에 독립적이며, 고-RRR 샘플의 경우 0.21 μΩ·cm·K⁻¹, 저-RRR 샘플의 경우 2.24 μΩ·cm·K⁻¹로 측정되어 보편적 열운반을 확인한다.
• a축에 따라 전류를 흘렸을 때의 κ₀/T는 ρ₀가 10배 높은 샘플에서 Dong 등이 보고한 값과 동일하여, 불순성에 대한 강건성을 입증한다.
• 0.3 K 이하에서 κ/T의 온도 의존성은 명백한 T² 행동을 보이며, κₐ/T = (κₐ₀/T)(1 + 23 T²)로 기술되며, d-파동 준입자 및 불순성 산란 효과와 일치한다.
• Tc를 완전히 억제하기 위해 필요한 임계 산란률 Γc는 d-파동 쌍성대에 기대되는 바와 같이 Tc₀ 수준이며, 최적 도핑된 BaFe₂As₂에서 관측된 50×Tc₀ 값과는 대조된다.
• κ₀/T의 자장 의존성은 비단조화적인 상승을 보이며, 깨끗한 d-파동 초전도체에 대한 이론 예측과 뛰어난 일치를 보인다.
• 관측된 T² 의존성 및 자장 반응은 확장된 s-파동 갭이 이러한 T² 스케일링을 보이지 않음을 고려할 때, 이를 일관되지 않다.