[論文レビュー] Recent Progress of Point Contact Spectroscopy as a Probe of Correlated Electron States

Wei‐Cheng Lee, L. H. Greene|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 76被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、強相関電子系をプローブする手法としての最近の点接触分光法（PCS）の進展をレビューし、超伝導状態でない状態に焦点を当てる。PCSのコンダクタンスがシュヴィンガー＝カダノフ＝ベーム＝ケルディッシュ（SKBK）形式を用いて有効状態密度に比例することを確立し、特に鉄系超伝導体および重フェルミオン化合物において、実験データから単粒子スペクトル関数を正確に抽出可能であることを示す。

ABSTRACT

We review recent progress in point contact spectroscopy (PCS) to extract spectroscopic information out of correlated electron materials, with the emphasis on non-superconducting states. PCS has been used to detect bosonic excitations in normal metals, where signatures (e.g. phonons) are usually less than 1$\%$ of the measured conductance. In the superconducting state, point contact Andreev reflection (PCAR) has been widely used to study properties of the superconducting gap in various superconductors. In the last decade, there have been more and more experimental results suggesting that the point contact conductance could reveal new features associated with the unusual single electron dynamics in non-superconducting states, shedding a new light on exploring the nature of the competing phases in correlated materials. We will summarize the theories for point contact spectroscopy developed from different approaches and highlight these conceptual differences distinguishing point contact spectroscopy from tunneling-based probes. Moreover, we will show how the Schwinger-Kadanoff-Baym-Keldysh (SKBK) formalism together with the appropriate modeling of the nano-scale point contacts randomly distributed across the junction leads to the conclusion that the point contact conductance is proportional to the {\it effective density of states}, a physical quantity that can be computed if the electron self energy is known. The experimental data on iron based superconductors and heavy fermion compounds will be analyzed in this framework. These recent developments have extended the applicability of point contact spectroscopy to correlated materials, which will help us achieve a deeper understanding of the single electron dynamics in strongly correlated systems.

研究の動機と目的

• 点接触分光法（PCS）の適用範囲を超伝導状態に限らず、相関電子系を調べるための手法へと拡張すること。
• 接合モデルの再評価とコンダクタンスを支配する物理量の理論的基盤を明確化すること。
• 適切にSKBK形式を用いてモデル化した場合、PCSコンダクタンスが有効状態密度に比例することを示すこと。
• 非超伝導的相関材料においてPCS実験で観測された新規な特徴を一貫した理論枠組みで解釈すること。
• スペクトロスコピック測定を通じて、強相関系における単電子ダイナミクスをより深く理解すること。

提案手法

• ナノスケールの点接触における非平衡輸送をモデル化するために、シュヴィンガー＝カダノフ＝ベーム＝ケルディッシュ（SKBK）形式を適用する。
• 理想化されたトンネル近似を避けるために、有限透過率を持つランダムに分布する点接触の集合として接合をモデル化する。
• 測定されたコンダクタンスが、電子の自己エネルギーに依存する有効状態密度に比例することを導出する。
• 超伝導状態の参照としてブラウンダー＝ティンカム＝クラップウィック（BTK）理論を用いるが、超伝導性を超えた形式への拡張を試みる。
• 非摂動的自己エネルギー計算を通じて、現実的な接合の幾何学的形状と電子相関効果を組み込む。
• 鉄系超伝導体および重フェルミオン化合物からの実験データと理論的予測を比較し、フレームワークの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 点接触分光法を、超伝導状態でない強相関電子状態を信頼性高く調べるためにどのように応用できるか？
• RQ2 電子間相関が強い状態において、点接触接合のコンダクタンスの正しい理論的記述は何か？
• RQ3 最近のPCS実験で観測された、従来のトンネル効果やBTKモデルでは説明できない特徴はなぜ生じるのか？
• RQ4 相関系において、点接触コンダクタンスが実際に測定している物理量は何か？
• RQ5 一貫した多体形式を用いて、PCSデータから有効状態密度を抽出できるか？

主な発見

• 適切にSKBK形式を用いてモデル化した場合、点接触コンダクタンスは、裸の状態密度ではなく、有効状態密度に比例する。
• 非超伝導状態におけるコンダクタンスは、コherenceピークやキンク構造といった単粒子ダイナミクスに関連する特徴を示し、強い相関を示唆する。
• 鉄系超伝導体および重フェルミオン化合物からの実験データは、SKBKに基づくフレームワークによってよく再現され、その予測力が確認された。
• 通常金属におけるコンダクタンスは、全コンダクタンスの1%未満のスペクトル重みを持つボソンモード（例：フォノン）を検出可能であり、高い感度を示す。
• モデルは、アンドレーエフ反射により超伝導体においてコンダクタンスが背景コンダクタンスの100%を超える理由を説明でき、BTK理論と整合的である。
• 単粒子スペクトル関数と集団励起状態を区別することで、長年のPCSデータ解釈の曖昧さを解消し、より明確なスペクトロスコピック解析を可能にする。