[논문 리뷰] Multiple energy gap features of superconducting FeSe investigated by tunneling spectroscopy

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 05.

Iron-based superconductors research참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평판형 터널 접합(FeSe/AlOx/Ag)을 사용하여 비편향 차분 도전도에 기반한 다중 에너지 갭 탐색을 통해 초전도체 FeSe를 조사한다. 이는 일반적인 BCS 유사 갭($2\Delta_B/k_BT_c \approx 5.6$), 큰 고에너지 갭($2\Delta_D/k_BT_c \approx 17.2$), 가능성이 강한 결합 특성, 그리고 저에너지 공진 상태를 규명하며, 이전의 STS 및 단절 접합 연구를 초월하여 FeSe 내 다중 초전도 갭 존재에 대한 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Planar tunneling junctions of the presumably unconventional superconductor FeSe were prepared and investigated. The junctions consisted of FeSe/AlOx/Ag multilayers patterned lithographically into mesa structures. Bias voltage dependent differential conductivities dI/dV(V) of junctions in the tunneling, intermediate barrier strength, and metallic regimes were investigated. Depending on the barrier type between two and four features of the conductivity were obtained, which are discussed in the framework of multiple superconducting energy gaps. Specifically we reproduced with all barrier types an established energy gap and discovered an additional large gap structure. From two further conductivity features presumable one originates from another superconducting gap and the other from resonant states.

연구 동기 및 목표

• 평판형 터널 접합을 이용하여 FeSe의 초전도 에너지 갭 구조를 조사한다.
• 이전의 STS 및 단절 접합 스펙트로스코피 보고서에서의 다중 갭에 대한 모순을 해결한다.
• 다양한 장벽 강도에서 차분 도전도 dI/dV(V)에 나타나는 다중 특징을 규명하고 특성화한다.
• 관측된 특징이 초전도 갭, 공진 상태, 또는 강한 결합 효과에 해당하는지 규명한다.
• 특징의 온도 의존성을 확인하여 초전도 갭 또는 기타 현상(예: 공진 상태, 강한 결합 효과)으로서의 신뢰성 있는 규명을 확보한다.

제안 방법

• RF 스퍼터링 및 플라즈마 산화를 이용해 AlOx 장벽를 형성하여 평판형 FeSe/AlOx/Ag 터널 접합을 제작한다.
• 전기적 측정을 위해 광리소그래피 및 이온 빔 에칭을 통해 접합을 메사 형상으로 패atters한다.
• 3He 냉각기에서 0.3 K에서 6 K의 온도 범위에서 a.c.-모odulation 기법을 사용해 편향 전압 의존성 차분 도전도 dI/dV(V)를 측정한다.
• 터널링 유사, 중간 장벽, 금속성 유사 접합의 세 영역에서 스펙트럼을 분석한다.
• 특징의 가시성을 향상시키고 에너지 척도를 추출하기 위해 dI/dV(V)를 실온 데이터로 정규화한다.
• 온도 의존성 측정을 통해 관측된 에너지 갭을 BCS 이론 예측과 비교하여 갭 규명의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이미 잘 알려진 BCS 유사 갭 외에 FeSe에 다중 초전도 에너지 갭이 존재하는가?
• RQ2 터널 스펙트로스코피는 이전의 STS 또는 단절 접합 연구에서 관측되지 않은 추가적인 고에너지 갭 특징을 해명할 수 있는가?
• RQ3 저에너지 특징 $2\Gamma_A/k_BT_c \approx 1.3-3.8$ 의 기원은 무엇인가?
• RQ4 dI/dV(V)에 관측된 특징들이 터널링, 중간, 금속성 접합 영역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ5 특징의 온도 의존성이 초전도 갭 또는 공진 상태, 강한 결합 효과 등의 다른 현상으로서의 규명을 지지하는가?

주요 결과

• 모든 접합 유형에서 $2\Delta_B/k_BT_c = 5.6 \pm 0.9$ 인 일반적인 초전도 갭이 일관되게 관측되었으며, 이는 BCS 이론과 이전 STS 데이터와 일치한다.
• 터널링 유사 접합에서 $2\Delta_D/k_BT_c = 17.2 \pm 1.9$, 중간 장벽 접합에서 $20.9 \pm 0.9$ 로 나타나는 큰 고에너지 갭 특징이 확인되었으며, 이는 이전에 보고되지 않은 강력한 초전도 갭임을 시사한다.
• 중간 및 금속성 접합에서 $2\Delta_C/k_BT_c = 10.6 \pm 1.2$ 인 두 번째 갭 유사 특징이 관측되었으며, 이는 STS 연구에서 제안된 두 번째 초전도 갭과 일치한다.
• 저에너지 특징 $2\Gamma_A/k_BT_c = 1.9 \pm 0.6$ 는 $T_c$ 이하에서 강한 온도 감소를 보이며, 이는 초전도 갭이 아닌 공진 상태임을 시사한다.
• $\Delta_B$ 및 $\Delta_C$ 의 온도 의존성이 BCS 이론을 따르며, 이는 이들이 초전도 갭으로서의 규명을 지지한다.
• 고에너지 갭 $\Delta_D$ 는 터널링 및 금속성 접합 모두에서 관측되었으며, 초전도 갭 특성과 일치하여 FeSe의 진정한 다밴드 특성임을 시사한다.