[论文解读] Scanning Tunneling Spectroscopy and Vortex Imaging in the Iron-Pnictide Superconductor BaFe$_{1.8}$Co$_{0.2}$As$_2$

Yi Yin, M. Zech+5 more|Oct 6, 2008

Iron-based superconductors research被引用 16

一句话总结

本研究首次在高达9 T的磁场下对铁砷化物超导体BaFe1.8Co0.2As2实现了原子分辨率扫描隧道谱（STS）和涡旋成像。结果揭示了6.25 meV的单一各向同性超导能隙、具有体相钉扎的无序涡旋晶格结构，以及涡旋核心中不存在次能隙束缚态，表明其配对行为类似s波，相干长度为27.6 ± 2.9 Å，上临界磁场Hc2 = 43 T。

ABSTRACT

We present an atomic resolution scanning tunneling spectroscopy study of superconducting BaFe$_{1.8}$Co$_{0.2}$As$_2$ single crystals in magnetic fields up to $9 ext{Tesla}$. At zero field, a single gap with coherence peaks at $\overlineΔ=6.25 ext{meV}$ is observed in the density of states. At $9 ext{T}$ and $6 ext{T}$, we image a disordered vortex lattice, consistent with isotropic, single flux quantum vortices. Vortex locations are uncorrelated with strong scattering surface impurities, demonstrating bulk pinning. The vortex-induced sub-gap density of states fits an exponential decay from the vortex center, from which we extract a coherence length $ξ=27.6\pm 2.9 extÅ$, corresponding to an upper critical field $H_{c2}=43 ext{T}$.

研究动机与目标

• 利用原子分辨率扫描隧道谱（STS）研究铁砷化物超导体中的超导能隙结构与涡旋态。
• 确定铁基超导体中涡旋核心是否表现出内部结构或次能隙束缚态，如铜氧化物d波超导体中所见。
• 评估杂质与钉扎机制在涡旋晶格形成中的作用，特别是涡旋是否由表面或体相缺陷钉扎。
• 通过涡旋核心衰减剖面提取基本超导参数，如相干长度（ξ）和上临界磁场（Hc2）。
• 将铁砷化物中的涡旋态与铜氧化物及传统s波超导体的配对对称性进行比较。

提出的方法

• 在6.15 K下对解理的BaFe1.8Co0.2As2单晶进行低温、高磁场扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）测量。
• 获取表面各点的dI/dV谱，以映射局域态密度（DOS）并从相干峰中提取超导能隙Δ。
• 在6 T和9 T磁场下成像涡旋晶格，分析涡旋位置与表面杂质的相对关系，以评估钉扎起源。
• 将涡旋周围零偏压电导（ZBC）的方位平均径向依赖关系拟合至指数衰减模型：g(r,0) = g∞ + A exp(−r/ξ)，以提取相干长度ξ。
• 利用Ginzburg-Landau关系Hc2 = Φ₀/(2πξ²)计算上临界磁场，其中Φ₀ = h/2e为磁通量子。
• 将观测到的涡旋核心结构与次能隙DOS同s波与d波配对对称性的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁砷化物超导体BaFe1.8Co0.2As2在其电子态密度中是否表现出单一或多个超导能隙？
• RQ2 该材料中的磁涡旋是否为各向同性且非简并的，还是表现出如四重对称性或次能隙束缚态等内部结构？
• RQ3 涡旋钉扎是否主要由表面杂质引起，还是由体相缺陷引起，这可通过涡旋位置与散射中心的相关性来判断？
• RQ4 该超导体的相干长度ξ与上临界磁场Hc2是多少？其与传统超导体及铜氧化物超导体相比如何？
• RQ5 该铁基超导体的涡旋核心是否在能量≈Δ/4处存在准粒子束缚态，如传统s波超导体所预测？

主要发现

• 在零磁场下，局域态密度中观测到单一超导能隙Δ = 6.25 meV，相对标准偏差为12%。
• 在9 T和6 T下，成像到无序涡旋晶格，涡旋位置与表面杂质无相关性，表明为体相钉扎而非表面缺陷钉扎。
• 涡旋诱导的次能隙态密度从涡旋核心呈指数衰减，良好拟合于g(r,0) = g∞ + A exp(−r/ξ)，得出相干长度ξ = 27.6 ± 2.9 Å。
• 利用提取的ξ和Ginzburg-Landau关系计算得上临界磁场Hc2 = 43 T。
• 在涡旋核心内未观测到次能隙束缚态，且ZBC保持平滑无特征，与铜氧化物d波超导体及传统s波超导体中观察到的粒子-空穴对称峰形成鲜明对比。
• 相干长度ξ = 27.6 Å显著小于电子平均自由程ℓ ≈ 81 Å，表明该超导体处于清洁极限，而非脏态区域。