[论文解读] Multiple energy gap features of superconducting FeSe investigated by tunneling spectroscopy

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用 4

一句话总结

本研究利用平面隧道结（FeSe/AlOx/Ag）对铁基超导体FeSe中的多重能隙进行探测，通过偏压依赖的微分电导测量，识别出一个常规的BCS型能隙（$2\Delta_B/k_BT_c \approx 5.6$），一个较大的高能隙（$2\Delta_D/k_BT_c \approx 17.2$），一个可能的强耦合特征，以及一个低能共振态，为FeSe中存在多重超导能隙提供了直接证据，超越了以往扫描隧道显微镜（STS）和断裂结研究的结果。

ABSTRACT

Planar tunneling junctions of the presumably unconventional superconductor FeSe were prepared and investigated. The junctions consisted of FeSe/AlOx/Ag multilayers patterned lithographically into mesa structures. Bias voltage dependent differential conductivities dI/dV(V) of junctions in the tunneling, intermediate barrier strength, and metallic regimes were investigated. Depending on the barrier type between two and four features of the conductivity were obtained, which are discussed in the framework of multiple superconducting energy gaps. Specifically we reproduced with all barrier types an established energy gap and discovered an additional large gap structure. From two further conductivity features presumable one originates from another superconducting gap and the other from resonant states.

研究动机与目标

• 利用平面隧道结研究FeSe中的超导能隙结构。
• 解决先前基于STS和断裂结谱学研究中关于多重能隙报告的不一致性。
• 在不同势垒强度下，识别并表征微分电导dI/dV(V)中的多个特征。
• 确定所观测特征是否对应于超导能隙、共振态或强耦合效应。
• 通过分析特征的温度依赖性，验证其是否为超导能隙或其他物理现象。

提出的方法

• 采用射频磁控溅射和等离子体氧化法，制备了平面FeSe/AlOx/Ag隧道结，以形成AlOx势垒。
• 通过光学光刻和离子束刻蚀将结结构加工成台面结构，以进行电学测量。
• 在3He低温恒温器中，采用交流调制技术测量偏压依赖的微分电导dI/dV(V)，温度范围为0.3 K至6 K。
• 将谱图分为三种行为区域进行分析：隧道结行为、中间势垒和金属态结。
• 将dI/dV(V)谱归一化至室温数据，以增强特征可见性并提取能量尺度。
• 通过温度依赖性测量，将观测到的能隙与BCS理论预测进行比较，以验证能隙识别的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe中是否存在除已知的BCS型能隙之外的多重超导能隙？
• RQ2 隧道谱学能否分辨出在以往STS或断裂结研究中未观测到的额外高能隙特征？
• RQ3 在$2\Gamma_A/k_BT_c \approx 1.3-3.8$处的低能特征的起源是什么？
• RQ4 dI/dV(V)中观测到的特征在不同结态（隧道结、中间势垒、金属态）中如何变化？
• RQ5 特征的温度依赖性是否支持其被识别为超导能隙，或为其他现象（如共振态或强耦合效应）？

主要发现

• 在所有结类型中均一致观测到一个常规超导能隙，其$2\Delta_B/k_BT_c = 5.6 \pm 0.9$，与BCS理论及先前STS数据相符。
• 在隧道结行为区域中，识别出一个大的高能隙特征，其$2\Delta_D/k_BT_c = 17.2 \pm 1.9$；在中间势垒结中为$20.9 \pm 0.9$，表明其为一个稳健的、此前未报道的超导能隙。
• 在中间势垒和金属态结中观测到第二个类似能隙的特征，其$2\Delta_C/k_BT_c = 10.6 \pm 1.2$，与STS研究中提出的第二个超导能隙一致。
• 在$2\Gamma_A/k_BT_c = 1.9 \pm 0.6$处的低能特征在$T_c$以下表现出强烈的温度抑制，表明其更可能为共振态而非超导能隙。
• $\Delta_B$和$\Delta_C$的温度依赖性符合BCS理论，支持其被识别为超导能隙。
• 高能隙$\Delta_D$在隧道结和金属结中均有观测，其特征与超导能隙一致，表明其为FeSe中真实的多带超导特征。