[논문 리뷰] Merohedral disorder and impurity impacts on superconductivity of fullerenes

Shu-Ze Wang, Mingqiang Ren외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 16.

Iron-based superconductors research참고 문헌 71인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial Rb3C60 필름에서 초전도성의 특성을 조사하기 위해 고온에서의 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코피를 사용하여, 이소형 불순물, 비자성 불순물, 단계 경계 등에도 불구하고 강력한 s-파일 쌍화를 확인하였다. Fe 계면 원자에 의해 유도된 국소적 Yu-Shiba-Rusinov 유한 상태의 발견은 국소적 전자 쌍화의 존재를 확인하였으며, 도핑된 풀러민에서 다중오비탈 상호작용과 분자내 격자 진동이 주요 메커니즘으로 작용함을 지지한다.

ABSTRACT

Local quasiparticle states around impurities provide essential insight into the mechanism of unconventional superconductivity, especially when the candidate materials are proximate to an antiferromagnetic Mott-insulating phase. While such states have been reported in atom-based cuprates and iron-based compounds, they are unexplored in organic superconductors which feature tunable molecular orientation. Here we employ scanning tunneling microscopy and spectroscopy to reveal multiple forms of robustness of an exotic $s$-wave superconductivity in epitaxial Rb$_3$C$_{60}$ films against merohedral disorder, non-magnetic single impurities and step edges at the atomic scale. Also observed have been Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states induced by deliberately incurred Fe adatoms that act as magnetic scatters. The bound states display abrupt spatial decay and vary in energy with the Fe adatom registry. Our results and the universal optimal superconductivity at half-filling point towards local electron pairing in which the multiorbital electronic correlations and intramolecular phonons together drive the high-temperature superconductivity of doped fullerenes.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 Rb3C60 필름에서 이소형 불순물, 비자성 불순물, 단계 경계가 초전도성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 원자 척도 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코피를 사용하여 자성 및 비자성 불순물 주변의 국소 준입자 상태를 탐색하기 위해.
• 도핑된 풀러민에서의 초전도성 쌍화 대칭이 국소적 s-파일 쌍화 대칭과 일치하는지 확인하기 위해.
• 풀러민의 통합 상도도를 수립하고, 반만족 상태에서 최적의 초전도 상태를 규명하기 위해.
• 다중오비탈 전자 상호작용과 전자-격자 진동 결합이 고임계수 초전도성에서의 기여를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 두께와 전자 빈도를 가진 사전 그래피티제이션된 SiC(0001) 기판 위에서 분자빔 에pitaxial Rb3C60 필름을 성장시켰다.
• 4.6 K에서의 고온에서 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 스펙트로스코피(STS)를 수행하여 국소 준입자 상태를 매핑하고 초전도 갭을 측정하였다.
• 락인 기법을 사용하여 터널링 dI/dV 스펙트럼을 측정하였으며, 갭 측정에는 975 Hz의 변조 주파수와 0.2 meV의 진폭, 넓은 에너지 범위 측정에는 20 meV의 진폭을 사용하였다.
• 이sov형 불순물의 정도를 정량화하기 위해 이웃 C60 분자 간의 각도 편차를 분석하여 정렬 상관 함수를 계산하였다.
• Rb 결함 또는 과잉 Rb 도핑 농도를 기반으로 전자 도핑 수준(x)을 추정하였으며, 통계적 오차는 0.5% 미만이었다.
• Fe 계면 원자를 의도적으로 도핑하여 자성 산산으로 작용하고 Yu-Shiba-Rusinov(YSR) 유한 상태를 유도하였으며, 이들의 공간적 및 에너지적 특성을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Rb3C60 필름에서의 이소형 불순물은 초전도성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비자성 불순물과 단계 경계는 풀러민에서 초전도성을 억제하는가, 아니면 공존하는가?
• RQ3 자성 불순물은 도핑된 풀러민에서 국소적 Yu-Shiba-Rusinov 유한 상태를 유도할 수 있는가? 그리고 이들의 공간적 및 에너지적 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 강한 전자 상호작용에도 불구하고, 풀러민의 초전도 쌍화 대칭은 국소적 s-파일 쌍화 대칭과 일치하는가?
• RQ5 특히 반만족 상태에서, 도핑된 풀러민의 상도도에서 최적의 초전도성이 어디에 존재하는가?

주요 결과

• Rb3C60 필름에서의 이소형 불순물은 초전도성을 억제하지 않으며, 불순물 영역에서도 강력한 초전도 갭이 유지됨을 통해 확인되었다.
• 비자성 불순물과 단계 경계는 초전도 상태를 크게 손상시키지 않아, s-파일 쌍화 메커니즘이 매우 강건함을 시사한다.
• Fe 계면 원자는 국소적 Yu-Shiba-Rusinov(YSR) 유한 상태를 유도하며, 이는 급격한 공간적 감쇠와 Fe 정렬에 따라 에너지 의존적인 행동을 보인다.
• 초전도 갭 Δ는 매우 큰 값을 가지며, 2Δ/kBTc > 6.0을 기록하여 강력한 쌍화와 고전적 BCS 이론에서의 이탈을 나타낸다.
• 최적의 초전도성이 항상 반만족 상태(x ≈ 3)에서 나타나며, 이는 국소적 쌍화가 이 도핑 수준에서 최대화되는 보편적인 상도도를 지지한다.
• 결과들은 다중오비탈 전자 상호작용과 분자내 격자 진동이 도핑된 풀러민에서 국소적 s-파일 쌍화 메커니즘을 이끄는 데 기여함을 종합적으로 지지한다.