[论文解读] Effect of electron irradiation on superconductivity in single crystals of Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=$0.24)

R. Prozorov, M. Kończykowski+6 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|May 13, 2014

Iron-based superconductors research被引用 16

一句话总结

本研究探究了2.5 MeV电子辐照对单晶Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂（x=0.24）超导性的影响，表明点缺陷引起的电子辐照迅速抑制Tc，其抑制速率快于化学掺杂体系。观测到的Tc抑制速率与s±配对对称性完全一致，排除了铁基122型超导体中存在s++配对的可能性。

ABSTRACT

A single crystal of isovalently substituted Ba(Fe$_{1-x}$Ru$_{x}$)$_2$As$_2$ ($x=0.24$) was sequentially irradiated with 2.5 MeV electrons up to a maximum dose of $2.1 imes 10^{19}$ electrons/cm^2. The electrical resistivity was measured extit{in - situ} at $T=$22 K during the irradiation and extit{ex - situ} as a function of temperature between subsequent irradiation runs. Upon irradiation, the superconducting transition temperature, $T_c$, decreases and the residual resistivity, $ρ_0$, increases. We find that electron irradiation leads to the fastest suppression of $T_c$ compared to other types of artificially introduced disorder, probably due to the strong short-range potential of the point-like irradiation defects. A more detailed analysis within a multiband scenario with variable scattering potential strength shows that the observed $T_c$ vs. $ρ_0$ is fully compatible with $s_\pm$ pairing, in contrast to earlier claims that this model leads to a too rapid a suppression of $T_c$ with scattering.

研究动机与目标

• 通过电子辐照引入可控的非磁性无序，探究铁基超导体中的配对对称性。
• 确定随着残余电阻率增加而观测到的Tc抑制是否与s±或s++配对情景一致。
• 通过使用电子辐照产生定义明确的点缺陷并最小化对能带结构的扰动，消除化学掺杂带来的模糊性。
• 将Tc抑制速率与理论模型进行比较，特别是具有可变散射势的多带BCS理论。
• 通过证明Tc抑制速率超过非符号变化s波配对允许的最大抑制速率，排除s++配对的可能性。

提出的方法

• 使用2.5 MeV电子辐照Ba(Fe₁₋₀.₂₄Ru₀.₂₄)₂As₂单晶，辐照剂量最高达2.1×10¹⁹ e⁻/cm²。
• 在辐照过程中于22 K下原位测量电阻率，并在每次辐照步骤后在外部测量随温度变化的电阻率。
• 采用具有可变内带和带间散射势的多带BCS模型，模拟Tc抑制与残余电阻率的关系。
• 通过调整散射强度和弛豫率等可调参数，将理论曲线拟合至实验数据。
• 将观测到的Tc抑制速率与化学掺杂体系及已知的s++超导体（如MgB₂）的结果进行比较。
• 分析低温穿透深度数据，以排除磁性缺陷形成的影响，因为磁性缺陷对s++配对的影响方式不同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子辐照下，Ba(Fe₁₋ₓRuₓ)₂As₂中Tc抑制速率是否支持s±或s++配对对称性？
• RQ2 电子辐照能否产生可作为探测能隙对称性的清洁、非磁性散射中心的点缺陷？
• RQ3 电子辐照引起的Tc抑制速率与类似122型体系中化学掺杂的抑制速率相比如何？
• RQ4 观测到的抑制速率是否与具有强短程势的s±配对多带BCS理论一致？
• RQ5 辐照产生的磁性缺陷是否可解释快速的Tc抑制，还是数据与纯非磁性散射一致？

主要发现

• 电子辐照使Tc以约340 mK每μΩ·cm残余电阻率的速率被抑制，显著快于化学掺杂体系。
• 观测到的Tc抑制速率与s±配对的理论预测完全一致，且超过s++配对允许的最大抑制速率。
• 未观测到穿透深度在低温下的回升，排除了辐照过程中形成显著磁性缺陷的可能性。
• 实验测得的Tc与ρ₀数据可用具有可变散射势的多带BCS理论良好描述，支持s±配对。
• 该抑制速率与对称s±配对的Abrikosov-Gor’kov极限相当，表明点缺陷对配对具有强破坏作用。
• 该结果与近期第一性原理预测的s++配对（临界电阻率约10 μΩ·cm）相矛盾，因为观测到的Tc抑制临界电阻率仅为约1 mΩ·cm。