[论文解读] Gap Anisotropy in Iron-Based Superconductors: A Point-Contact Andreev Reflection Study of BaFe$_{2-x}$Ni$_{x}$As$_2$ Single Crystals

Cong Ren, Zhaosheng Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究采用c轴点接触Andreev反射（PCAR）光谱法对BaFe₂₋ₓNiₓAs₂单晶进行测量，以探究掺杂依赖的超导能隙各向异性。结果揭示了从欠掺杂样品中的无节点双能隙态向过掺杂样品中的高度各向异性、类似节点的能隙态的转变，定量拟合结果支持由反铁磁自旋涨落介导的轨道依赖配对机制。

ABSTRACT

We report a systematic investigation on c-axis point-contact Andreev reflection (PCAR) in BaFe$_{2-x}$Ni$_x$As$_2$ superconducting single crystals from underdoped to overdoped regions (0.075 $\leq x\leq 0.15$). At optimal doping ($x=0.1$) the PCAR spectrum feature the structures of two superconducting gap and electron-boson coupling mode. In the $s\pm$ scenario, quantitative analysis using a generalized Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) formalism with two gaps: one isotropic and another angle dependent, suggest a nodeless state in strong-coupling limit with gap minima on the Fermi surfaces. Upon crossing above the optimal doping ($x > 0.1$), the PCAR spectrum show an in-gap sharp narrow peak at low bias, in contrast to the case of underdoped samples ($x < 0.1$), signaling the onset of deepened gap minima or nodes in the superconducting gap. This result provides evidence of the modulation of the gap amplitude with doping concentration, consistent with the calculations for the orbital dependent pair interaction mediated by the antiferromagnetic spin fluctuations.

研究动机与目标

• 利用高分辨率c轴PCAR光谱法，研究电子掺杂BaFe₂₋ₓNiₓAs₂单晶中超导能隙各向异性的掺杂演化行为。
• 确定随着掺杂浓度增加，超导能隙结构是否从无节点态演化为类似节点态，特别是在最佳掺杂点附近。
• 使用广义双能隙BTK模型对能隙各向异性进行定量分析，并评估其与s±配对情景及自旋涨落介导配对的一致性。
• 通过使用高质量单晶和可重复的c轴接触，解决先前铁基超导体实验结果之间的矛盾。
• 将观测到的谱学演化与由反铁磁自旋涨落介导的轨道依赖配对相互作用的理论预测相关联。

提出的方法

• 在BaFe₂₋ₓNiₓAs₂单晶的解理(001)表面，使用厚层银浆和金线制备高透射率的c轴点接触。
• 在2 K至Tc以上温度范围内进行PCAR测量，获取多个掺杂浓度（x = 0.075, 0.085, 0.1, 0.12, 0.15）下的归一化和原始G(V)电导曲线。
• 应用广义双能隙Blonder-Tinkham-Klapwijk（BTK）形式化方法，其中包含一个各向同性能隙和一个角度依赖能隙，以拟合Andreev电导谱，尤其在最佳掺杂点（x = 0.1）处。
• 利用拟合参数提取最大能隙Δmax、最小能隙Δmin以及各向异性比r = Δmin/Δmax，评估强耦合极限下的能隙结构。
• 分析电导随温度的变化，识别如能隙内峰和台阶结构等谱学特征，将其与电子-玻色子耦合及节点行为相关联。
• 将谱学演化与体相性质（电阻率测得的Tc）及先前测量结果（如中子散射测得的自旋共振能量Ωb）进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BaFe₂₋ₓNiₓAs₂中，超导能隙结构在欠掺杂、最佳掺杂和过掺杂区域的电子掺杂演化过程中如何变化？
• RQ2 在过掺杂区域，c轴PCAR测量中观测到的电导谱是否表明存在无节点或节点型超导能隙？
• RQ3 在最佳掺杂点附近，具有各向异性配对的双能隙BTK模型在多大程度上能准确再现实验测得的Andreev电导谱？
• RQ4 在过掺杂样品中观测到的能隙内电导峰是否为节点准粒子的特征，或是否反映低能区有限态密度？
• RQ5 测得的能隙各向异性比r = Δmin/Δmax与由反铁磁自旋涨落介导的轨道依赖配对理论预测有何关系？

主要发现

• 在最佳掺杂点（x = 0.1）时，PCAR谱显示出两个明显的超导能隙，且在约20 mV处出现一个尖锐的能隙内峰，表明存在电子-玻色子耦合，共振能量Ωb ≈ 11–13 meV。
• 使用广义BTK模型进行定量拟合揭示了一个无节点的超导态，其费米面上存在各向异性的能隙极小值，强耦合极限下各向异性比r = 0.3。
• 在欠掺杂样品（x = 0.075, 0.085）中，电导谱在零偏压附近呈现电导平台，特征为完全闭合、无节点的态。
• 在过掺杂样品（x = 0.12, 0.15）中，谱线演化为在低偏压处出现尖锐的能隙内峰，表明高度各向异性或节点型能隙结构的出现。
• 从全能隙到能隙内峰的系统性演化与穿透深度随温度依赖性的变化一致，后者在过掺杂样品中显示从n ≥ 2到线性-T依赖的转变。
• 观测到的能隙各向异性和掺杂演化与由反铁磁自旋涨落介导的轨道依赖配对理论模型在定量上高度一致。