[论文解读] Determination of the Superconducting Order Parameter from Defect Bound State Quasiparticle Interference

Shun Chi, W. N. Hardy+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Surface and Thin Film Phenomena参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于扫描隧道显微镜（STM）的新方法——缺陷束缚态准粒子干涉（DBS-QPI），可直接探测铁基超导体中超导序参量的相位。通过分析由缺陷诱导的能隙束缚态所产生的准粒子干涉的相位参考傅里叶变换，作者在LiFeAs中识别出 $ s_{\pm} $ 配对对称性，并确定本征缺陷为非磁性，从而为无节点超导体中的配对对称性与缺陷性质提供一种通用且稳健的区分方法。

ABSTRACT

The superconducting order parameter is directly related to the pairing interaction, with the amplitude determined by the interaction strength, while the phase reflects the spatial structure of the interaction. However, given the large variety of materials and their rich physical properties within the iron-based high-Tc superconductors, the structure of the order parameter remains controversial in many cases. Here, we introduce Defect Bound State Quasi Particle Interference (DBS-QPI) as a new method to determine the superconducting order parameter. Using a low-temperature scanning tunneling microscope, we image in-gap bound states in the stoichiometric iron-based superconductor LiFeAs and show that the bound states induced by defect scattering are formed from Bogoliubov quasiparticles that have significant spatial extent. Quasiparticle interference from these bound states has unique signatures from which one can determine the phase of the order parameter as well as the nature of the defect, i.e. whether it is better described as a magnetic vs a nonmagnetic scatterer. DBS-QPI provides an easy but general method to characterize the pairing symmetry of superconducting condensates.

研究动机与目标

• 开发一种通用方法，用于确定传统技术失效的无节点多带超导体中序参量的相位。
• 解决铁基超导体中长期存在的配对对称性争议，特别是序参量在空穴与电子费米面片之间是否具有符号变化（$ s_{\pm} $ 与 $ s_{++} $ 之别）。
• 通过分析其准粒子干涉特征，确定超导材料中缺陷（磁性与非磁性）的性质。
• 提供对复数序参量 $ \Delta_{\mathbf{k}} = |\Delta_{\mathbf{k}}|e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $ 的直接实验探测，特别是其中的相位因子 $ e^{i\phi_{\mathbf{k}}} $，该参数无法通过标准能隙探测技术获得。
• 建立一种稳健且可推广的低温STM方法，仅基于无节点束缚态即可提取配对对称性与缺陷性质，而无需依赖对称性破缺或节点结构。

提出的方法

• 利用低温扫描隧道显微镜（STM）成像在化学计量比LiFeAs中由本征缺陷诱导的能隙束缚态。
• 通过空间分辨的隧道电导率 $ g(V) $ 测量这些束缚态的准粒子干涉（QPI）图案，揭示动量空间中的散射特征。
• 对QPI数据应用相位参考傅里叶变换，以分离正负偏压电压下干涉信号的符号，从而实现对序参量相位变化的直接检测。
• 使用 $ \delta $-函数势模型模拟缺陷引起的准粒子散射，理论计算对比 $ s_{\pm} $ 与 $ s_{++} $ 配对态以及磁性与非磁性缺陷散射。
• 将 $ +E_{\text{B}} $ 与 $ -E_{\text{B}} $ 之间QPI特征的符号反转或保持作为诊断依据：符号反转表明序参量发生相位跳变，符号保持则表明无相位变化。
• 将实验获得的相位参考DBS-QPI图案与三种缺陷与配对对称性情景下的理论模拟进行比较，以确定最佳拟合模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺陷诱导的束缚态所产生的准粒子干涉能否揭示无节点多带超导体中序参量的相位？
• RQ2 在LiFeAs中，序参量在空穴与电子费米面片之间是否如 $ s_{\pm} $ 配对所预测的那样发生符号变化？
• RQ3 LiFeAs中的本征缺陷是磁性还是非磁性？其对准粒子干涉图案有何影响？
• RQ4 当缺乏节点结构与旋转对称性破缺时，DBS-QPI的相位参考傅里叶分析能否区分 $ s_{\pm} $ 与 $ s_{++} $ 配对对称性？
• RQ5 DBS-QPI在多大程度上可作为一种通用且模型无关的方法，用于探测非传统超导体中的配对对称性与缺陷性质？

主要发现

• 在 $ \pm 1.2 \, \text{meV} $ 处的相位参考DBS-QPI显示，$ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ 准粒子干涉特征在正负偏压电压之间出现符号反转，证实了序参量中存在符号变化。
• 实验DBS-QPI图案与假设为非磁性缺陷的 $ s_{\pm} $ 配对态的理论模拟最为吻合，从而排除了磁性缺陷的 $ s_{\pm} $ 与磁性缺陷的 $ s_{++} $ 情况。
• $ \mathbf{q}_{h_{3}-h_{3}} $ 干涉特征在 $ +E_{\text{B2}} $ 与 $ -E_{\text{B2}} $ 之间保持符号不变，与同带散射一致；而 $ \mathbf{q}_{h_{3}-e} $ 显示符号反转，直接将相位变化与异带散射关联起来。
• 通过 $ g(V) $ 测量确认了与 $ h_3 $ 与 $ e $ 带中较小能隙相关的能隙束缚态的存在，观察到两个位于 $ \pm 1.2 \, \text{meV} $ 的独立束缚态峰。
• 分析证实LiFeAs中的本征缺陷为非磁性，因为假设磁性缺陷的模拟无法重现观测到的相位参考QPI图案。
• DBS-QPI为确定超导体中的配对对称性与缺陷性质提供了一种稳健且可推广的方法，无需依赖节点结构或破缺的旋转对称性。