[论文解读] Evidence of a d to s-wave pairing symmetry transition in the electron-doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$

Amlan Biswas, P. Fournier+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 8

一句话总结

本研究利用点接触谱学（PCS）证明，随着掺杂浓度增加，电子掺杂的Pr₂₋ₓCeₓCuO₄（PCCO）中出现从d波配对对称性到s波配对对称性的转变。对于轻掺杂的PCCO（x ≈ 0.13），零偏压电导峰证实存在Andreev束缚态，表明为d波对称性；对于重掺杂的PCCO（x ≈ 0.17），该峰的缺失支持s波配对，表明在最佳掺杂附近存在量子临界点。

ABSTRACT

We present point contact spectroscopy (PCS) data for junctions between a normal metal and the electron doped cuprate superconductor Pr$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ (PCCO). For the underdoped compositions of this cuprate ($x \sim 0.13$) we observe a peak in the conductance-voltage characteristics of the point contact junctions. The shape and magnitude of this peak suggests the presence of Andreev bound states at the surface of underdoped PCCO which is evidence for a d-wave pairing symmetry. For overdoped PCCO ($x \sim 0.17$) the PCS data does not show any evidence of Andreev bound states at the surface suggesting an s-wave pairing symmetry.

研究动机与目标

• 为解决电子掺杂铜氧化物（如Pr₂₋ₓCeₓCuO₄，PCCO）中配对对称性长期存在的争议。
• 确定PCCO中超导序参量是否为d波或s波，特别是在从轻掺杂到重掺杂区域的掺杂演化过程中。
• 研究Andreev束缚态（ABS）作为n型掺杂铜氧化物中d波配对对称性的直接证据。
• 基于从d波到s波配对的对称性转变，探讨电子掺杂铜氧化物中存在量子临界点（QCP）的可能性。

提出的方法

• 在LaAlO₃和YSZ基底上通过脉冲激光沉积法外延生长的c轴取向PCCO薄膜上进行点接触谱学（PCS）测量。
• 通过将金针压在解理PCCO薄膜侧面形成低电阻、低势垒结（低Z），以确保电流垂直于c轴流动，并可采样多个a-b面方向。
• 在1.6 K下采用锁相技术测量电导-电压（G-V）特性，以最小化热展宽并提高低能特征的分辨率。
• 通过将实验观测的G-V曲线与理论模型对比进行数据分析：s波采用BTK理论，d波采用Kashiwaya等人模型，特别关注零偏压电导峰（ZBCP）的有无。
• 从G-V曲线中提取超导能隙Δ_SC，并追踪其随Ce浓度x的变化，同时监测T_c。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子掺杂铜氧化物Pr₂₋ₓCeₓCuO₄在轻掺杂区是否表现出d波配对对称性，如Andreev束缚态所指示？
• RQ2 在重掺杂PCCO中，配对对称性是否转变为s波，如零偏压电导峰的缺失所证实？
• RQ3 在电子掺杂铜氧化物中，是否在最佳掺杂附近存在量子临界点，如从d波到s波配对的对称性转变所暗示？
• RQ4 为何以往关于PCCO的实验（如穿透深度和隧道测量）在配对对称性问题上存在相互矛盾的结果？

主要发现

• 在轻掺杂PCCO（x = 0.13）的低电阻点接触结中观察到一个展宽的零偏压电导峰（ZBCP），证实存在Andreev束缚态，为d波配对对称性提供了有力证据。
• 在重掺杂PCCO（x = 0.17）中，G-V曲线未观察到ZBCP，且数据与s波配对模型拟合良好，表明配对对称性发生向s波的转变。
• 超导能隙Δ_SC随Ce浓度单调减小，从x = 0.13时的约6.5 meV降至x = 0.17时的约3.4 meV，趋近于弱耦合BCS值。
• 比值2Δ_SC / k_B T_c从轻掺杂区的约12.4降至重掺杂区的约3.4，表明超导配对机制发生显著变化。
• 在轻掺杂PCCO中高电阻（高Z）结中未观察到ZBCP，归因于无序和热展宽导致峰被抑制，与理论预期一致。
• 观测到的从d波到s波配对对称性的转变表明，在电子掺杂铜氧化物中接近最佳掺杂处存在量子临界点，可能解释早期实验结果之间的矛盾。