[论文解读] Recent Progress of Point Contact Spectroscopy as a Probe of Correlated Electron States

Wei‐Cheng Lee, L. H. Greene|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 76被引用 15

一句话总结

本文综述了点接触谱学（PCS）在强关联电子系统中的最新进展，重点研究非超导态。研究表明，通过施温格-卡丹诺夫-贝姆-凯尔迪什（SKBK）形式体系，PCS电导与有效态密度成正比，从而可从实验数据中准确提取单粒子谱函数，尤其在铁基超导体和重费米子化合物中表现显著。

ABSTRACT

We review recent progress in point contact spectroscopy (PCS) to extract spectroscopic information out of correlated electron materials, with the emphasis on non-superconducting states. PCS has been used to detect bosonic excitations in normal metals, where signatures (e.g. phonons) are usually less than 1$\%$ of the measured conductance. In the superconducting state, point contact Andreev reflection (PCAR) has been widely used to study properties of the superconducting gap in various superconductors. In the last decade, there have been more and more experimental results suggesting that the point contact conductance could reveal new features associated with the unusual single electron dynamics in non-superconducting states, shedding a new light on exploring the nature of the competing phases in correlated materials. We will summarize the theories for point contact spectroscopy developed from different approaches and highlight these conceptual differences distinguishing point contact spectroscopy from tunneling-based probes. Moreover, we will show how the Schwinger-Kadanoff-Baym-Keldysh (SKBK) formalism together with the appropriate modeling of the nano-scale point contacts randomly distributed across the junction leads to the conclusion that the point contact conductance is proportional to the {\it effective density of states}, a physical quantity that can be computed if the electron self energy is known. The experimental data on iron based superconductors and heavy fermion compounds will be analyzed in this framework. These recent developments have extended the applicability of point contact spectroscopy to correlated materials, which will help us achieve a deeper understanding of the single electron dynamics in strongly correlated systems.

研究动机与目标

• . 将点接触谱学（PCS）的应用范围从超导态扩展至强关联电子系统，以实现对这些系统的探测。
• . 通过重新评估结模型和导电率所依赖的物理量，厘清PCS的理论基础。
• . 证明当采用SKBK形式体系正确建模时，PCS电导与有效态密度成正比。
• . 为解释PCS实验中观测到的非超导强关联材料中的新颖特征，提供一致的理论框架。
• . 通过光谱测量手段，实现对强关联体系中单电子动力学的更深入理解。

提出的方法

• . 应用施温格尔-卡丹诺夫-贝姆-凯尔迪什（SKBK）形式体系，对纳米尺度点接触中的非平衡输运进行建模。
• . 将结建模为具有有限透射率的随机分布点接触集合，避免理想化隧道近似。
• . 推导出测量电导与有效态密度成正比，而该有效态密度依赖于电子自能。
• . 以布隆德-廷克汉姆-克拉普威克（BTK）理论作为超导态的参考，但将形式体系扩展至超导性之外。
• . 通过非微扰自能计算，纳入实际结几何结构和电子关联效应。
• . 将理论预测与铁基超导体及重费米子化合物的实验数据进行对比，以验证该框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 . 如何可靠地利用点接触谱学探测非超导态下的强关联电子态？
• RQ2 . 当电子-电子关联较强时，点接触结中电导的正确理论描述是什么？
• RQ3 . 为何近期的PCS实验在正常态中显示出传统隧道效应或BTK模型无法解释的特征？
• RQ4 . 在关联体系中，点接触电导实际测量的是哪个物理量？
• RQ5 . 能否利用一致的多体形式体系，从PCS数据中提取有效态密度？

主要发现

• . 当采用SKBK形式体系正确建模时，点接触电导与有效态密度成正比，而非原始态密度。
• . 在非超导态中，电导揭示了与单粒子动力学相关的特征，如相干峰和能隙结构，表明存在强关联效应。
• . 铁基超导体和重费米子化合物的实验数据被SKBK框架良好描述，证实了其预测能力。
• . 在正常金属中，电导可探测到谱权重低于总电导1%的玻色模式（如声子），显示出极高灵敏度。
• . 该模型解释了为何点接触电导在超导体中可超过背景电导的100%，这是由于Andreev反射所致，与BTK理论一致。
• . 该框架通过区分单粒子谱函数与集体激发，解决了长期存在的PCS数据解释模糊性，实现了更清晰的光谱分析。