[论文解读] Magnetic penetration depth of single crystal SmFeAsO_{1-x}F_y: a fully gapped superconducting state

Liam Malone, J. D. Fletcher+6 more|ArXiv.org|Jun 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用 45

一句话总结

本研究利用射频隧道二极管振荡器测量了单晶SmFeAsO₀.₈F₀.₂（Tc ≈ 45 K）的面内磁穿透深度，发现在低温下呈现指数温度依赖性，表明为完全全息s波超导态。数据符合双能隙BCS模型，其中小能隙Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc，大能隙Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc，后者贡献了80%的超流密度，表明存在强烈的能隙各向异性或多个费米面片。

ABSTRACT

We report measurements of the in-plane magnetic penetration depth $λ$ in single crystals of SmFeAsO$_{1-x}$F$_y$ ($x\simeq y \simeq 0.2$) with $T_c \simeq 45$ K. We find that at low temperature $λ$ has an exponential temperature dependence which suggests that the Fermi surface is fully gapped. The magnitude of the minimum energy gap, $Δ_1=1.1\pm 0.1 k_BT_c$ at T=0 K, is significantly smaller than the BCS weak-coupling value suggesting that the gap is either strongly anisotropic or varies significantly between the different Fermi surface sheets. Our data fits well a two gap model with an additional larger gap of magnitude $Δ_2 = 1.8\pm0.2 k_BT_c$ which is associated with $\sim 80$% of the total superfluid density.

研究动机与目标

• 确定高质量单晶SmFeAsO₀.₈F₀.₂（Tc ≈ 45 K）中的超导能隙结构。
• 通过使用体敏感、表面不敏感的探测手段，解决点接触Andreev谱研究中关于能隙对称性的相互矛盾报告。
• 检验某些理论模型所预测的超导态是否为完全全息或无节点态。
• 通过双能隙模型量化多个费米面片对超流密度的相对贡献。

提出的方法

• 使用约12 MHz的射频隧道二极管振荡器技术测量面内磁穿透深度λab。
• 样品固定在蓝宝石杆上并置于螺线管线圈中，磁场沿c轴方向，以在ab面内诱导屏蔽电流。
• 通过已知样品尺寸和基底温度下的参考测量，将谐振电路的频率漂移标定为Δλ(T)。
• 低温数据通过BCS指数形式拟合，以提取最小能隙Δ₁。
• 利用扭矩测量得到的λ(0) ≈ 2100 ± 300 Å，计算全温度范围的超流密度ρ(T) = λ²(0)/λ²(T)，从而实现双能隙模型拟合。
• 采用双能隙BCS模型拟合超流密度，参数包括能隙大小Δ₁、Δ₂以及小能隙中超流密度的分数x。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmFeAsO₀.₈F₀.₂中的超导态是否表现出完全全息s波对称性，如磁穿透深度的指数温度依赖性所示？
• RQ2 若存在多个超导能隙，其大小和对总超流密度的相对贡献是多少？
• RQ3 与多晶样品点接触Andreev谱中报告的参数相比，观测到的能隙参数有何差异？
• RQ4 观测到的能隙变化是由于具有不同能隙大小的多个费米面片，还是由于序参量的平滑角度各向异性？
• RQ5 数据是否能被双能隙模型一致解释，还是单能隙各向异性态同样合理？

主要发现

• 面内磁穿透深度在~6 K以下呈现指数温度依赖性，证实为完全全息超导态。
• T=0 K时的最小能隙为Δ₁ = 1.1 ± 0.1 kBTc，显著小于BCS弱耦合值。
• 双能隙BCS模型对全温度范围的超流密度拟合效果极佳，第二能隙Δ₂ = 1.8 ± 0.2 kBTc（6.4 ± 0.7 meV）。
• 较大能隙Δ₂贡献了80 ± 5%的总超流密度，表明其主导了超导响应。
• 数据与具有中等各向异性的完全全息s波态一致，尽管不能完全排除序参量的平滑角度变化。
• 结果调和了与先前点接触Andreev谱之间的矛盾，表明由于其对超流密度贡献微小，小能隙可能在表面敏感测量中未被检测到。