[論文レビュー] Two distinct superconducting pairing states divided by the nematic end point in FeSe$_{1-x}$S$_{x}$

T. Hanaguri, Katsuya Iwaya+6 more|Kyoto University Research Information Repository (Kyoto University)|Oct 6, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、分光的イメージング走査トンネル顕微鏡（SI-STM）を用いて、FeSe₁₋ₓSₓにおいて超伝導ギャップがネーマティック終点（NEP、x = 0.17）で明確に不連続に減少することを明らかにした。一方、ネーマティックバンド構造はNEPで特異性を示さず、滑らかに等方的になる。結果は、ネーマティック秩序の有無に応じてギャップの大きさが根本的に異なる2つの異なる超伝導ペアリング状態が存在することを示しており、ネーマティック強度ではなくネーマティック秩序の有無が支配的である。これは、dₓzおよびd_yz軌道に選択的に働くペアリングメカニズムを示唆する。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often competes or coexists with other electronic orders. In iron-based superconductors, relationship between superconductivity and the nematic state, where the lattice rotational symmetry is spontaneously broken in the electronic states, has been discussed but unclear. Using spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy, we investigate how the band structure and the superconducting gap evolve in FeSe$_{1-x}$S$_x$, as the sulfur substitution suppresses nematicity that eventually diminishes at the nematic end point (NEP) at $x=0.17$. Anisotropic quasiparticle-interference patterns, which represent the nematic band structure, gradually become isotropic with increasing $x$ without detectable anomalies in the band parameters at the NEP. By contrast, the superconducting gap, which is almost intact in the nematic phase, suddenly shrinks as soon as $x$ exceeds the NEP. Our observation implies that the presence or absence of nematicity results in two distinct pairing states, whereas the pairing interaction is insensitive to the strength of nematicity. This provides a clue for understanding the pairing mechanism.

研究の動機と目的

• FeSe₁₋ₓSₓにおけるネーマティック終点（NEP）を境に、電子状態と超伝導ギャップの進化を調査すること。
• NEPが超伝導状態における量子相転移を示すかどうかを特定すること。
• ネーマティック性が超伝導ペアリングメカニズムに果たす役割を明確にすること。
• ネーマティック秩序とバンド構造の効果を区別すること。

提案手法

• 1.5 K（x=0.23では0.45 K）で、0 ≤ x ≤ 0.25の範囲にわたる高品質なFeSe₁₋ₓSₓ単結晶に対して分光的イメージング走査トンネル顕微鏡（SI-STM）を実施した。
• 表面被覆の精密な測定を可能にするため、原子サイト数のカウントによる硫黄含有量の決定が可能であり、偏析なしに均一な置換が確認された。
• クーパー対干渉（QPI）パターンは、分光的画像をフーリエ変換することで抽出され、バンド構造とその異方性をマッピングした。
• 局所的トンネルスペクトルから超伝導ギャップを抽出し、信号対ノイズ比を向上させるために2mm点群対称性に基づいてデータを対称化した。
• 再現性と統計的信頼性を確保するため、複数の試料および複数の視野で測定を繰り返した。
• 全サンプル間での一貫性ある比較のため、1.5 Kにおけるフェルミ・デイジー関数でデータを畳み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSe₁₋ₓSₓにおけるネーマティック終点（NEP）x=0.17で、超伝導ギャップに不連続な変化が生じるか？
• RQ2 硫黄置換に伴いネーマティックバンド構造はどのように変化するか？また、NEPで検出可能な特異性は存在するか？
• RQ3 超伝導ギャップはネーマティック性の強さに依存するのか、それともネーマティック秩序の有無に依存するのか？
• RQ4 ネーマティック相とテトラゴナル相におけるペアリング相互作用の性質は何か？

主な発見

• 超伝導ギャップはネーマティック相（x < 0.17）ではほぼ一定維持であるが、NEPを越えると（x > 0.17）急激かつ顕著に減少する。
• ネーマティックバンド構造（異方的クーパー対干渉（QPI）パターンで示される）は、xの増加に伴い滑らかに等方的になるが、NEPで特異性は観測されない。
• バンドパラメータ（フェルミ面のサイズと面内異方性）はNEPを越えて滑らかに変化しており、正規状態の電子状態に急激な変化は見られない。
• NEPで超伝導ギャップが急激に抑制される一方でバンド構造の変化は滑らかであるため、ネーマティック転移によって分離された2つの異なる超伝導ペアリング状態が存在することが示唆される。
• 結果は、ネーマティック相ではdₓzまたはd_yz軌道の一方でのみペアリングが効果的に働く軌道選択的ペアリングのシナリオを支持しており、ネーマティック秩序の形成と同時にペアリング相互作用が即座に飽和することが示唆される。
• ネーマティック相ではギャップに特異性がなく、NEPで不連続性が観測されることから、ペアリング相互作用はネーマティック強度に敏感ではなく、ネーマティック秩序の有無に強く依存することが示唆される。