[论文解读] Observation of a small superconducting energy gap in K$_{0.7}$Fe$_{1.8}$Se$_2$ by optical spectroscopy

R. H. Yuan, Tao Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究利用面内光学光谱技术，在K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂的超导转变温度Tc以下观测到一个尖锐的反射率边缘，表明其具有较小的超导能隙。该特征被归因于约瑟夫森耦合等离子体振荡，其在磁场作用下被抑制，为超导性与磁性在纳米尺度上的相分离提供了证据，从而调和了不同实验技术之间存在的矛盾结果。

ABSTRACT

We report an in-plane optical spectroscopy study on the iron-selenide superconductor K$_{0.75}$Fe$_{1.75}$Se$_2$. The measurement revealed the development of a sharp reflectance edge below T$_c$ at frequency much smaller than the superconducting energy gap on a relatively incoherent electronic background, a phenomenon which was not seen in any other Fe-based superconductors so far investigated. Furthermore, the feature could be noticeably suppressed and shifted to lower frequency by a moderate magnetic field. Our analysis indicates that this edge structure arises from the development of a Josephson-coupling plasmon in the superconducting condensate. Together with the transmission electron microscopy analysis, our study yields compelling evidence for the presence of nanoscale phase separation between superconductivity and magnetism. The results also enable us to understand various seemingly controversial experimental data probed from different techniques.

研究动机与目标

• 利用面内光学光谱研究K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂在超导转变温度以下的电子响应。
• 确定在Tc以下低频处观测到的、与其他铁基超导体不同的尖锐反射率边缘的起源。
• 判断该特征是否源于超导凝聚态动力学或竞争性电子相。
• 通过将不同技术的实验结果与纳米尺度相分离联系起来，调和看似矛盾的实验观测。
• 评估磁场对所观测光学响应的调制作用，并推断其基本激发态的性质。

提出的方法

• 对单晶K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂进行面内光学光谱测量，以在宽频率范围内测量反射率和电导率。
• 分析频率相关的反射率，以检测Tc以下的尖锐特征，特别是低能边缘结构。
• 施加中等强度磁场，以研究该边缘的场依赖性，并评估其对超导序参数的敏感性。
• 将观测到的边缘建模为源于超导区域之间相位相干隧穿的约瑟夫森耦合等离子体模。
• 将光学结果与透射电子显微镜数据相关联，以支持纳米尺度相分离区域的存在。
• 通过理论分析将低能边缘与小超导能隙联系起来，该结果与磁场下观测到的抑制行为一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 K₀.₇₅Fe₁.₇₅Se₂在Tc以下低频处出现的尖锐反射率边缘（在其他铁基超导体中未见）是由什么引起的？
• RQ2 施加中等强度磁场后，该光学特征如何变化？这对其起源有何启示？
• RQ3 该观测到的边缘是否可由相分离超导态中的约瑟夫森耦合等离子体模来解释？
• RQ4 存在哪些证据支持该材料中存在超导与磁性区域之间的纳米尺度相分离？
• RQ5 这些发现如何调和了不同测量技术之间先前相互矛盾的实验结果？

主要发现

• 在Tc以下，一个远低于超导能隙的频率处出现尖锐反射率边缘，表明存在小能隙超导态。
• 在中等强度磁场下，该边缘特征被抑制并发生红移，与超导起源一致。
• 所观测到的边缘被识别为约瑟夫森耦合等离子体模，源于纳米尺度超导区域之间的相干隧穿。
• 透射电子显微镜数据支持超导相与磁性相之间存在纳米尺度相分离。
• 结果为不同技术之间先前矛盾的实验数据提供了统一的解释。
• 该体系表现出较小的超导能隙，与其它铁基超导体中观测到的较大能隙形成鲜明对比。