[论文解读] Probing multi-band superconductivity and magnetism in SmFeAsO$_{0.8}$F$_{0.2}$ single crystals by high-field vortex torque magnetometry

Luis Balicas, A. Gurevich+10 more|ArXiv.org|Sep 24, 2008

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究利用高场涡旋扭矩磁测量技术探测SmFeAsO₀.₈F₀.₂单晶中的多带超导性，结果表明有效质量各向异性参数γ(T,H)在低温和高场下趋于饱和，γ ≈ 9，且超流密度未出现显著的磁场抑制。结果表明存在两个大小几乎相等的强耦合超导能隙，与强耦合超导性一致，而Sm³⁺离子的顺磁性贡献需进行仔细校正以准确提取γ值。

ABSTRACT

To probe manifestations of multiband superconductivity in oxypnictides, we measured the angular dependence of magnetic torque $τ(θ)$ in the mixed state of SmO$_{0.8}$F$_{0.2}$FeAs single crystals as functions of temperature $T$ and high magnetic field $H$ up to 30 T. We show that the effective mass anisotropy parameter $γ$ extracted from $τ(θ)$, can be greatly overestimated if the strong paramagnetism of Sm or Fe ions is not properly taken into account. The correctly extracted $γ$ depends on both $T$ and $H$, saturating at $γ\simeq 9$ at lower temperatures. Neither the London penetration depth nor the superfluid density is affected by high fields fields up to the upper critical field. Our results indicate two strongly-coupled superconducting gaps of nearly equal magnitudes.

研究动机与目标

• 为解决SmFeAsO₀.₈F₀.₂中质量各向异性参数γ的真实磁场与温度依赖性，该依赖性因Sm³⁺离子的强顺磁性而被掩盖。
• 利用高场涡旋扭矩测量探测铁基超导体中的多带超导性，克服低场技术的局限性。
• 确定超流密度或伦敦穿透深度λ(T,H)在虚拟上临界场Hᵥ以上是否表现出磁场诱导抑制，以判断是否存在弱耦合行为。
• 区分扭矩信号中超导与顺磁贡献，并提取本征涡旋磁化率。

提出的方法

• 在高达30 T的磁场和20–40 K的温度范围内对单晶进行了高场涡旋扭矩磁测量。
• 在不同H和T条件下测量了扭矩的角依赖性τ(θ)，通过平均磁场增加和减小的角扫描过程提取平衡扭矩τₐᵥ(θ)。
• 采用改进的伦敦理论模型（公式1）提取γ(T,H)，并包含对Sm³⁺和Fe²⁺离子顺磁性贡献τₘ的校正。
• 利用具有场依赖g因子的单离子哈密顿量对顺磁扭矩τₘ进行建模，以考虑高场下非理想顺磁行为的影响。
• 基于τ(θ)数据，假设在H ≪ Hc₂条件下伦敦近似有效，从扭矩方程中提取伦敦穿透深度λ(T,H)。
• 分析理想正弦τ(θ)行为的偏离，以识别高场下的非局域性或对称性破缺修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，SmFeAsO₀.₈F₀.₂中的有效质量各向异性γ(T,H)如何演化，Sm³⁺顺磁性在测量中起何作用？
• RQ2 伦敦穿透深度λ(T,H)在Hᵥ以上是否表现出磁场诱导抑制，表明能带解耦或弱耦合行为？
• RQ3 SmFeAsO₀.₈F₀.₂中的超导能隙是否如高Tc和高Hc₂所暗示的那样为强耦合，其证据是什么？
• RQ4 能否准确分离Sm³⁺离子的顺磁扭矩与超导涡旋扭矩，以提取本征各向异性参数？
• RQ5 高场下顺磁扭矩的场依赖与温度依赖性源于何处，是否可能指示场致反铁磁性？

主要发现

• 有效质量各向异性γ(T,H)在低温和高场下趋于饱和，γ ≈ 9，显著低于此前报道的γ ≥ 30的值。
• 伦敦穿透深度λ(T,H)在高达30 T的磁场下无显著场依赖性，表明在Hᵥ以上无超流密度的突然抑制，与强耦合行为一致。
• 从γ(T,H)的场依赖与温度依赖性以及λ(T,H)对高场的不敏感性，推断出存在两个大小几乎相等的超导能隙。
• 在高场和低温下，Sm³⁺离子的顺磁扭矩占主导地位，需进行仔细建模以提取真实的超导贡献。
• 观察到的顺磁扭矩场依赖与温度依赖性表明可能存在场致磁各向异性或非居里-外斯行为，但不支持涡旋核心中出现场致反铁磁性。
• 结果排除了弱耦合行为的可能性，支持SmFeAsO₀.₈F₀.₂中存在两个强耦合超导能隙的图像，γ ≈ 9为扣除顺磁污染后的真实值。