[论文解读] Linear Temperature Dependence of the Lower Critical Field $H_{c1}$ in F-Doped LaOFeAs Superconductors

Cong Ren, Zhaosheng Wang+6 more|ArXiv.org|Apr 10, 2008

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究首次通过全局和局域磁化率技术，对氟掺杂LaOFeAs超导体的下临界场 $H_{c1}$ 进行了实验测量。结果表明，$H_{c1}(T)$ 在2 K以下呈现线性温度依赖关系，为节点隙函数和 $d$-波配对对称性提供了有力证据，推导出的最大能隙 $\Delta_0 = 4.0 \pm 0.6$ meV 与比热和隧道效应测量结果一致。

ABSTRACT

We present the first experimental results of the lower critical field $H_{c1}$ of the newly discovered F-doped superconductor LaO$_{0.9}$F$_{0.1}$FeAs (F-LaOFeAs) by global and local magnetization measurements. It is found that $H_{c1}$ showed an clear linear-$T$ dependence down to a temperature of 2 K, indicative of an unconventional pairing symmetry with a nodal gap function. Based on the d-wave model, we estimated a maximum gap value $Δ_0=4.0 \pm 0.6$ meV, in consistent with the recent specific heat and point-contact tunneling measurements. Taking the demagnetization factor into account, the absolute value of $H_{c1}(0)$ is determined to be about 54 Oe, manifesting a low superfluid density for LaO$_{0.9}$F$_{0.1}$FeAs.

研究动机与目标

• 确定多晶F掺杂LaOFeAs超导体中下临界场 $H_{c1}$ 的温度依赖关系。
• 利用 $H_{c1}(T)$ 测量研究该铁基超导体的超导能隙对称性。
• 通过 $H_{c1}(0)$ 和 $H_{c1}(T)$ 拟合评估超流密度和能隙大小。
• 通过 $H_{c1}$ 行为提供直接证据，以解决配对对称性的争议。
• 确认在中等洁净样品中，节点隙特征对非磁性杂质散射的鲁棒性。

提出的方法

• 采用振动样品磁强计（VSM）进行全局直流磁化率测量，磁场沿样品最短方向施加。
• 利用面积为10×10 μm²的二维电子气（2DEG）微霍尔探针进行局域磁化率测量。
• 在2至20 K温度范围内，以低扫描速率（30 Oe/min）在零场冷却（ZFC）模式下获取等温 $M(H)$ 曲线，以最小化动力学效应。
• 从接近迈斯纳转变区域的 $M(H)$ 曲线线性区段提取 $H_{c1}(T)$，基于磁通渗透的起始点。
• 应用 $d$-波配对模型，将 $H_{c1}(T)/H_{c1}(0)$ 拟合为温度的线性函数，利用理论关系式 $1 - H_{c1}(T)/H_{c1}(0) = 2\ln 2 \cdot k_B T / \Delta_0$。
• 利用伦敦方程从 $H_{c1}(T)$ 计算磁通穿透深度 $\lambda(T)$，并评估 $\Delta\lambda = \lambda(T) - \lambda(0)$ 以探测能隙各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 F掺杂LaOFeAs的下临界场 $H_{c1}$ 在低温下是否表现出线性温度依赖关系？
• RQ2 $H_{c1}(T)$ 的行为对该铁基超导体的超导能隙对称性有何含义？
• RQ3 从 $H_{c1}(T)$ 测量中推导出的最大超导能隙 $\Delta_0$ 的值是多少？
• RQ4 测得的 $H_{c1}(0)$ 如何反映超流密度和配对强度？
• RQ5 线性 $H_{c1}(T)$ 依赖关系在多大程度上对非磁性杂质散射具有鲁棒性？

主要发现

• 下临界场 $H_{c1}(T)$ 在2 K以下表现出清晰的线性温度依赖关系，表明超导能隙中存在节点。
• 确定 $H_{c1}(0)$ 的绝对值约为54 Oe，表明F-LaOFeAs中具有较低的超流密度。
• 基于 $d$-波配对模型，估算出最大能隙值为 $\Delta_0 = 4.0 \pm 0.6$ meV，与近期比热和点接触隧道效应测量结果一致。
• $\Delta\lambda = \lambda(T) - \lambda(0)$ 在低温下表现出线性 $T$-依赖关系，与各向同性 $s$-波BCS理论预期相矛盾。
• 线性 $T$-依赖关系在 $\Delta\lambda$ 和 $H_{c1}(T)$ 中对中等程度杂质散射具有鲁棒性，表现为 $T_c \approx 26$ K 稳定且 $l \sim \xi_0$。
• 局域 $M(H)$ 回线中观察到第二个峰，证实了强晶粒间耦合和体相行为，支持了 $H_{c1}$ 测定的可靠性。