[논문 리뷰] Unusual temperature evolution of superconductivity in LiFeAs

Pranab Kumar Nag, Ronny Schlegel외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 11.

Iron-based superconductors research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 원자적으로 깨끗한 표면에서 고해상도 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피를 사용하여 스토이키오메트릭 리티움 철 아르세나이드(LiFeAs)에서 비정상적인 이중 단계 초전도 전이를 규명하였다. 18 K에서 부분적인 초전도 갭과 공명 피크, 딥-함프 구조가 나타나며, 이는 강한 결합 초전도를 나타내며, 이는 16 K에서 완전히 갭이 생긴 상태로 급격히 변화한다. 이에 따라 갭 에너지가 낮은 온도에서의 값의 약 87%로 근접 점프처럼 증가하며, 보존 모드 에너지는 거의 일정하게 유지되어, 이는 비공명 스핀 불일치 진동과 관련이 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We have performed temperature dependent tunneling spectroscopy on an impurity-free surface area of a LiFeAs single crystal. Our data reveal a highly unusual temperature evolution of superconductivity: at $T_c^*=18$~K a partial superconducting gap opens, as is evidenced by subtle, yet clear features in the tunneling spectra, i.e. particle-hole symmetric coherence peaks, and a dip-hump structure which signals strong-coupling superconductivity. At $T_c=16$~K, these features substantiate dramatically and become characteristic of full superconductivity. Remarkably, this is accompanied by an almost jump-like increase of the gap energy at $T_c$ to about 87\% of its low-temperature gap value. The energy of the bosonic mode as measured by the distance between the coherence peak and the higher-energy dip remains practically constant in the whole temperature regime $T\leq T_c^*$. The comparison of these findings with established experimental and theoretical results lead us to suggest that the bosonic mode is not directly related to incommensurate spin fluctuations that have previously been observed in inelastic neutron scattering.

연구 동기 및 목표

• 스토이키오메트릭 리티움 철 아르세나이드에서 원자 척도 해상도로 초전도성의 내재적 온도 변화를 조사하기 위해.
• 다양한 실험 기법 간에 보고된 임계 온도(Tc)의 오랜 기간 지속된 모순을 해결하기 위해.
• 관측된 보존 모드가 이완성 중성자 산란으로 이전에 확인된 비공명 스핀 불일치 진동과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 리티움 철 아르세나이드의 이례적인 초전도 거동에서 다밴드 초전도성과 피어미 표면 위상 구조의 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 스토이키오메트릭 리티움 철 아르세나이드 단일 결정의 오염물질이 없는 원자적으로 평탄한 표면에서 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 수행하였다.
• 초전도 전이 영역에서 온도에 따라 변화하는 dI/dV 스펙트럼을 측정하였으며, 샘플 환경과 표면 품질에 정밀한 제어를 실시하였다.
• 샘플는 자가용매법으로 합성되었으며, 75As NQR를 사용하여 고순도의 스토이키오메트릭 균일성과 낮은 결함 밀도를 확인하였다.
• STS 데이터는 공명 피크, 딥-함프 구조, 보존 모드 에너지(Ω)를 분석하였으며, 이는 온도에 따른 함수로서 추적되었다.
• 결과는 ARPES 밴드 구조 데이터, 비탄성 중성자 산란(INS) 결과, 다밴드 초전도성 이론 모델과 비교되었다.
• 이중 단계 전이를 해석하기 위해 α, β, γ 피어미 표면 포켓에서의 별개의 초전도 갭을 포함하는 다밴드 시나리오가 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리티움 철 아르세나이드는 초기 부분 갭 형성이 이루어진 후 완전 갭 형성이 이루어지는 이중 단계 초전도 전이를 나타내는가?
• RQ2 관측된 보존 모드 에너지(Ω)는 Tc* 이하에서 온도에 독립적인가, 그리고 이는 그 기원에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 다양한 실험 방법 간에 보고된 Tc 값의 모순은 국소 전자 비균일성 또는 다밴드 효과에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 강한 결합 서명을 보이는 보존 모드가 비탄성 중성자 산란에서 관측된 비공명 스핀 불일치 진동과 관련이 있는가?
• RQ5 다밴드 이론이 예측한 linelike 초전도성의 시작이 k_z ≈ π(α-밴드)에서 발생하고, k_z ≈ 0에서 완전한 초전도성이 이루어지는가?

주요 결과

• Tc* = 18 K에서 입자-홀 대칭성 공명 피크와 딥-함프 구조를 가진 부분 초전도 갭이 나타나며, 이는 강한 결합 초전도성의 시작을 시사한다.
• Tc = 16 K에서 공명 피크가 ±6 mV로 이동하며, 이는 낮은 온도에서의 갭 값의 약 87%에 해당하여 초전도 갭의 급격한 증가를 나타낸다.
• 보존 모드 에너지, 즉 공명 피크와 딥 사이의 거리의 에너지는 0 K부터 Tc*까지 거의 일정하며, Tc에서만 약간 감소한다.
• 보존 모드는 비탄성 중성자 산란에서 관측된 비공명 스핀 불일치 진동과 직접 관련이 없으며, 이는 γ- 및 β-밴드 진동에서 기인하기 때문이며, α-밴드에서는 기인하지 않는다.
• 두 개의 구분되는 전이 온도(18 K 및 16 K)는 샘플의 비균일성 때문이 아니라 물질 자체의 내재적 성질이며, 고품질 NQR 및 단일 깨끗한 표면 영역에서의 STS로 확인되었다.
• 데이터는 α-피어미 표면 포켓(k_z ≈ π)에서 초전도성이 먼저 나타나고, 낮은 온도에서 모든 피어미 표면 포켓에서 완전한 쌍화가 이루어지는 다밴드 초전도 시나리오를 지지한다.