[论文解读] Intrinsic atomic scale modulations of the superconducting gap of 2H-NbSe2

Isabel Guillamón, Hermann Suderow+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2007

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究利用低温扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）技术，揭示了2H-NbSe2中超导能隙的本征原子尺度调制。结果表明，由于能隙各向异性和费米面结构，局域态密度表现出在0.75 meV和1.2 meV处具有六重周期性的调制。研究发现，在涡旋核心内部存在此前未被探测到的原子尺度调制，挑战了在亚相干长度尺度下超导性质均匀的传统观点。

ABSTRACT

We present scanning tunneling microscopy and spectroscopy measurements at 100mK in the superconducting material 2H-NbSe2 that show well defined features in the superconducting density of states changing in a pattern closely following atomic periodicity. Our experiment demonstrates that the intrinsic superconducting density of states can show atomic size modulations, which reflect the reciprocal space structure of the superconducting gap. In particular we obtain that the superconducting gap of 2H-NbSe2 has six fold modulated components at 0.75 mV and 1.2 mV.Moreover, we also find related atomic size modulations inside vortices, demonstrating that the much discussed star shape vortex structure produced by localized states inside the vortex cores, has a, hitherto undetected, superposed atomic size modulation. The tip substrate interaction in an anisotropic superconductor has been calculated, giving position dependent changes related to the observed gap anisotropy.

研究动机与目标

• 利用高分辨率STM/STS技术，研究2H-NbSe2中超导能隙在原子尺度上的空间非均匀性。
• 确定局域态密度（LDOS）中的本征调制是否源于超导能隙的倒空间结构。
• 检查在涡旋核心中是否存在原子尺度调制，特别是与星形涡旋结构的关系。
• 探讨费米面各向异性和轨道简并性在产生空间变化的LDOS信号中的作用。
• 挑战长期以来认为在原子尺度下超导性质是均匀的假设。

提出的方法

• 在100 mK下对解理的2H-NbSe2表面进行扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）测量，以探测局域态密度（LDOS）。
• 测量表面及涡旋核心内超导能隙的空间变化，以识别周期性调制。
• 分析STS谱随探针位置相对于原子位点（特别是Nb原子和涡旋核心）的变化。
• 对各向异性超导体中的探针-衬底耦合进行理论建模，包含轨道简并性和能隙的角依赖性。
• 使用吉古拉-朗道方程和埃利阿希伯格方程模拟涡旋附近能隙调制，并预测LDOS变化。
• 将实验数据与理论预测进行比较，以建立观测到的调制与费米面结构及能隙各向异性的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零磁场下，2H-NbSe2的超导能隙中是否存在本征的原子尺度调制？
• RQ2 在0.75 meV和1.2 meV处观测到的局域态密度六重周期性调制的起源是什么？
• RQ3 在2H-NbSe2中，星形涡旋结构上是否存在叠加的原子尺度调制？
• RQ4 费米面各向异性和轨道简并性如何影响STM测量中空间变化的LDOS信号？
• RQ5 如倒空间结构所揭示的超导能隙各向异性，在多大程度上影响了观测到的LDOS调制？

主要发现

• 在0.75 meV和1.2 meV处观测到2H-NbSe2超导能隙的原子尺度调制，其六重周期性与Se表面晶格相匹配。
• 这些调制直接关联于超导能隙的倒空间结构以及费米面各向异性。
• 在2H-NbSe2的星形涡旋核心结构上，发现了一种此前未被探测到的原子尺度调制。
• 观测到的调制源于高对称点附近轨道简并性与超导能隙角依赖性的相互作用。
• 理论建模证实，在各向异性超导体中，探针-衬底耦合可产生与实验观测一致的位置依赖性LDOS变化。
• 研究结果挑战了长期以来认为本征超导性质在亚相干长度尺度下是均匀的假设，揭示了超导性中新的空间非均匀性层次。