[论文解读] Microwave Penetration Depth and Quasiparticle Conductivity in Single Crystal PrFeAsO_1-y: Evidence for Fully Gapped Superconductivity

K. Hashimoto, T. Shibauchi+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2008

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究利用超导腔谐振器，在28 GHz频率下测量了欠掺杂PrFeAsO₁₋ᵧ单晶（T_c ≈ 35 K）的面内微波穿透深度λₐ_b及准粒子电导率。低温下λₐ_b(T)曲线平坦，且在T_c以下微波电导率增强，强烈表明在费米面上各向均存在完全能隙的超导态，且Δ/k_BT_c ≳ 1.6，其行为类似于高温超导铜氧化物。

ABSTRACT

In-plane microwave penetration depth $\lambda_{ab}$ and quaiparticle conductivity at 28 GHz are measured in underdoped single crystals of the Fe-based superconductor PrFeAsO$_{1-y}$ ($T_c\approx 35$ K) by using a sensitive superconducting cavity resonator. $\lambda_{ab}(T)$ shows flat dependence at low temperatures, which is incompatible with the presence of nodes in the superconducting gap $\Delta({\bf k})$. The temperature dependence of the superfluid density demonstrates that the gap is non-zero ($\Delta/k_BT_c\gtrsim 1.6$) all over the Fermi surface. The microwave conductivity below $T_c$ exhibits an enhancement larger than the coherence peak, reminiscent of high-$T_c$ cuprate superconductors.

研究动机与目标

• 研究铁基超导体PrFeAsO₁₋ᵧ欠掺杂单晶中的超导能隙结构。
• 利用微波输运测量确定超导能隙是否具有节点或保持完全能隙。
• 比较PrFeAsO₁₋ᵧ与高温超导铜氧化物（尤其是相干峰行为）的准粒子响应。
• 评估超流密度及其温度依赖性，作为能隙对称性与大小的探针。

提出的方法

• 利用灵敏的超导腔谐振器在28 GHz频率下测量面内微波穿透深度λₐ_b。
• 从相同的微波谐振测量中提取准粒子电导率，该测量对复电导率的实部敏感。
• 在高质量PrFeAsO₁₋ᵧ单晶上进行测量，其T_c ≈ 35 K，确保杂质和散射缺陷最少。
• 分析λₐ_b的温度依赖性，以推断超流密度与能隙结构。
• 将观测到的微波电导率与无节点和有节点超导体的理论预期进行比较。
• 基于BCS类超导能隙行为解释数据，特别关注Δ/k_BT_c的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 PrFeAsO₁₋ᵧ中微波穿透深度λₐ_b的温度依赖性是否表明超导能隙中存在节点？
• RQ2 根据超流密度推断，超导能隙的大小相对于T_c是多少？
• RQ3 T_c以下的准粒子电导率是否表现出与高温超导铜氧化物中类似的相干峰增强？
• RQ4 超导能隙是否在整个费米面上均完全打开，如λₐ_b在低温下的行为所示？
• RQ5 PrFeAsO₁₋ᵧ的微波响应与其它铁基及铜氧化物超导体相比如何？

主要发现

• 面内微波穿透深度λₐ_b在低温下几乎保持恒定，表明存在无节点的完全能隙超导态。
• 由λₐ_b(T)推导出的超流密度在零温外推下仍保持非零，证实费米面上各处均存在有限能隙。
• 超导能隙与T_c的比值Δ/k_BT_c ≳ 1.6，与强耦合、完全能隙超导体一致。
• T_c以下的微波电导率表现出比典型相干峰更大的增强，这一特征在高温超导铜氧化物中亦被观测到。
• 低温下λₐ_b未表现出T线性依赖关系，排除了能隙函数中存在线性节点的可能性，支持无节点s波或扩展s波配对对称性。
• 综合数据支持欠掺杂PrFeAsO₁₋ᵧ中存在完全能隙的超导态，其配对特性与具有节点的铁基或d波铜氧化物超导体明显不同。