[论文解读] Magnetic Impurities on Superconducting Surfaces: Phase Transitions and the Role of Impurity-Substrate Hybridization

Haonan Huang, Robert Drost+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 40被引用 54

一句话总结

本研究表明，超导表面Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态的结合能主要由杂质-基底杂化（Γs）决定，而不仅仅是磁散射。通过在极低温（10 mK）下进行扫描隧道显微镜测量，并结合平均场近似下的安德森杂质模型拟合，作者定量建立了YSR态能级位移与Γs之间的关联，从而可确定体系处于弱散射还是强散射区域——解决了仅依赖隧道谱时存在的模糊性。

ABSTRACT

Spin-dependent scattering from magnetic impurities inside a superconductor gives rise to Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states within the superconducting gap. As such, YSR states have been very successfully modeled with an effective scattering potential (Kondo impurity model). Using a scanning tunneling microscope, we exploit the proximity of the tip to a surface impurity and its influence on the YSR state to make a quantitative connection between the YSR state energy and the impurity-substrate hybridization. We corroborate the coupling between impurity and substrate as a key energy scale for surface derived YSR states using the Anderson impurity model in the mean field approximation, which accurately explains our observations. The model allows to decide on which side of the quantum phase transition the system resides based on additional conductance measurements. We propose that the Anderson impurity model is much more appropriate to describe YSR states from impurities on a superconducting surface than the Kondo impurity model, which is more appropriate for impurities inside a superconductor. We thus provide a first step towards a more quantitative comparison of experimental data with fully correlated calculations based on the Anderson impurity model.

研究动机与目标

• 建立表面吸附磁性杂质中YSR态能级与杂质-基底杂化（Γs）之间的定量关联。
• 确定YSR态处于弱散射还是强散射区域，这一区分在隧道谱的对称性下容易被掩盖。
• 验证安德森杂质模型相较于Kondo模型在描述杂化效应方面对表面YSR态更具优越性。
• 通过识别Γs作为关键能量标度，实现实验数据与完全关联理论计算之间更准确的比较。

提出的方法

• 在具有本征磁性杂质的V(100)表面进行极低温（10 mK）扫描隧道显微镜（STM）测量。
• 通过测量针尖-样品距离依赖的微分电导（dI/dV），探测YSR态能级位移。
• 使用包含BCS型态密度和Tip间隙Maki模型的修正隧道哈密顿量，对实验dI/dV谱进行拟合。
• 引入无量纲参数x = EU/EJ、y = Γs/EJ和u = ω/Δ以减少变量，并从YSR态能级位置提取Γs。
• 通过距离依赖的正常态电导验证Γs变化，结果与隧道理论一致，显示指数衰减。
• 对安德森杂质模型采用平均场近似，推导出格林函数和YSR态能级的解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 杂质-基底杂化（Γs）如何定量影响表面衍生YSR态的结合能？
• RQ2 仅从隧道谱能否确定自旋依赖散射势的强度，还是需要额外信息？
• RQ3 安德森杂质模型是否比Kondo模型更适合描述超导表面的YSR态？
• RQ4 能否通过STM实验诊断屏蔽与未屏蔽杂质自旋态之间的量子相变？
• RQ5 针尖-样品耦合在多大程度上改变了YSR态能级？其与本征杂质性质如何分离？

主要发现

• YSR态能级随针尖-样品距离的变化与杂质-基底杂化（Γs）的变化直接相关，Γs随针尖靠近而增大。
• 系统处于强散射区（超过量子相变点），证据为正偏压YSR分支能量为负（ε+ < 0）。
• 提取的拟合参数显示，主数据集中x = EU/EJ ≈ 0.42，表明存在中等程度的粒子-空穴不对称性。
• 正常态电导GN随针尖-样品距离呈指数衰减，与隧道理论一致，证实了Γs的变化。
• 该模型可明确判断系统相对于量子相变点的位置，解决了谱分析中的关键模糊性。
• 采用平均场近似的安德森杂质模型能对实验YSR数据提供定量准确的描述，优于用于表面杂质的Kondo模型。