[论文解读] Direct evidence for multi-gap nodeless superconductivity in FeSe

Lin Jiao, Chien-Lung Huang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过低温比热与扫描隧道显微镜（STM）测量相结合，为FeSe中的多能隙无节点超导性提供了直接证据。数据符合双带s + es（扩展s波）能隙模型，其中较小的s波能隙Δₛ与较大的扩展s波能隙Δₑₛ共存，通过孪晶界面上的U形隧道谱得到证实，表明材料整体范围内均存在无节点超导性。

ABSTRACT

A combined study of low-temperature specific heat $C(T)$ and scanning tunneling microscopy measurements on single crystalline FeSe reveals the existence of two superconducting gaps without nodes. The $C(T)$ data can be represented by a phenomenological two-band model with an s-wave plus an extended s-wave ($s$ + $es$) type gap structure. The estimated s-wave gap magnitude $\Delta_{s}$ is significantly smaller than that of the extended s-wave gap $\Delta_{es}$. An overall U-shaped gap found in the tunneling spectra away as well as on top of twin boundaries is in excellent agreement with the $C(T)$ analysis, confirming nodeless multi-gap superconductivity throughout the FeSe material.

研究动机与目标

• 通过互补的实验技术确定单晶FeSe中的超导能隙结构。
• 利用热力学与谱学探针解决超导能隙的性质——特别是其是否为无节点或存在节点。
• 通过体相热力学与局域电子结构测量，验证多能隙组分的存在及其对称性。
• 研究能隙结构在孪晶界等结构缺陷处的一致性。
• 基于比热数据的唯象双带拟合，建立超导能隙的定量模型。

提出的方法

• 在单晶FeSe上进行低温比热$C(T)$测量，通过态密度探测超导能隙结构。
• 采用具有s波与扩展s波（$s$ + $es$）对称性的唯象双带模型拟合$C(T)$数据，提取能隙大小Δₛ与Δₑₛ。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）直接成像局域态密度，揭示样品表面的隧道谱。
• 在孪晶边界附近及边界上分析隧道谱，评估能隙在结构缺陷处的均匀性与一致性。
• 将STM谱中观测到的U形能隙特征与$C(T)$数据拟合所得的双带模型预测进行定量比较。
• 利用体相热力学响应与局域电子结构测量之间的一致性，证实超导能隙中不存在节点。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe是否表现出多能隙超导态？若存在，各能隙组分的对称性为何？
• RQ2 在包括孪晶边界等结构缺陷处，超导能隙在整个费米面上是否均为无节点？
• RQ3 比热数据能否被双带s + es能隙模型一致描述？各能隙的相对大小如何？
• RQ4 STM测量中的局域隧道谱是否与$C(T)$中观测到的体相热力学行为一致？
• RQ5 FeSe中超导能隙结构的空间均匀性如何，特别是在孪晶边界处？

主要发现

• 比热数据可被双带$s$ + $es$能隙模型良好描述，其中扩展s波能隙$\Delta_{es}$显著大于s波能隙$\Delta_s$。
• 扫描隧道显微镜揭示了在远离及位于孪晶边界处的局域态密度中均存在U形能隙特征，与$C(T)$推导的模型一致。
• 所有测量区域的隧道谱中均未发现节点，证实FeSe晶体中整体为无节点超导性。
• 体相热力学响应与局域谱学测量之间的一致性，为多能隙无节点超导性提供了强有力且直接的证据。
• 观测到的能隙结构在孪晶边界处保持均匀，表明超导态对结构非均匀性具有强鲁棒性。
• $C(T)$与STM数据估算的能隙大小高度一致，支持FeSe中$s$ + $es$能隙模型的有效性。