[论文解读] Two distinct superconducting pairing states divided by the nematic end point in FeSe$_{1-x}$S$_{x}$

T. Hanaguri, Katsuya Iwaya+6 more|Kyoto University Research Information Repository (Kyoto University)|Oct 6, 2017

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究利用光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）揭示，在FeSe₁₋ₓSₓ中，超导能隙在向列相终点（NEP，x = 0.17）处发生急剧的不连续减小，而向列能带结构则逐渐趋于各向同性，在NEP处无异常。结果表明存在两种根本不同的超导配对态——其能隙大小截然不同——分别由向列序的有无决定，而非向列序强度，提示涉及dₓz和d_yz轨道的轨道选择性配对。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity often competes or coexists with other electronic orders. In iron-based superconductors, relationship between superconductivity and the nematic state, where the lattice rotational symmetry is spontaneously broken in the electronic states, has been discussed but unclear. Using spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy, we investigate how the band structure and the superconducting gap evolve in FeSe$_{1-x}$S$_x$, as the sulfur substitution suppresses nematicity that eventually diminishes at the nematic end point (NEP) at $x=0.17$. Anisotropic quasiparticle-interference patterns, which represent the nematic band structure, gradually become isotropic with increasing $x$ without detectable anomalies in the band parameters at the NEP. By contrast, the superconducting gap, which is almost intact in the nematic phase, suddenly shrinks as soon as $x$ exceeds the NEP. Our observation implies that the presence or absence of nematicity results in two distinct pairing states, whereas the pairing interaction is insensitive to the strength of nematicity. This provides a clue for understanding the pairing mechanism.

研究动机与目标

• 研究FeSe₁₋ₓSₓ中向列相终点（NEP）附近电子结构与超导能隙的演化。
• 确定NEP是否标志着超导态中的量子相变。
• 阐明向列性在塑造超导配对机制中的作用。
• 区分向列序与能带结构对超导性的影响。

提出的方法

• 在1.5 K（x=0.23时为0.45 K）下对0 ≤ x ≤ 0.25范围内的高质量FeSe₁₋ₓSₓ单晶进行了光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）测量。
• 通过原子位点计数进行拓扑成像，精确确定硫含量，确认固溶无偏析。
• 从傅里叶变换的光谱图像中提取准粒子干涉（QPI）图案，以映射能带结构及其各向异性。
• 通过在2mm点群下对数据进行对称化处理，从局域隧道谱中提取超导能隙，以提高信噪比。
• 在多个样品和视场范围内重复测量，以确保可重复性与统计可靠性。
• 为实现跨样品的一致比较，将数据与1.5 K下的费米-狄拉克函数进行卷积。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe₁₋ₓSₓ中x=0.17处的向列相终点（NEP）是否引起超导能隙的不连续变化？
• RQ2 随着硫掺杂的增加，向列能带结构如何演化？在NEP处是否存在可检测的异常？
• RQ3 超导能隙是否对向列序强度敏感，还是仅对向列序的有无敏感？
• RQ4 向列相与四方相中超导配对相互作用的本质是什么？

主要发现

• 在向列相（x < 0.17）中，超导能隙几乎保持不变，但一旦x超过NEP（x > 0.17），能隙便立即发生显著且急剧的减小。
• 由准粒子干涉（QPI）图案所体现的向列能带结构随x增加而逐渐趋于各向同性，在NEP处无明显异常。
• 能带参数，包括费米面大小和面内各向异性，均在NEP处平滑演化，表明正常态电子结构无突变。
• 尽管能带结构演化平滑，但NEP处超导能隙的突然抑制，暗示存在由向列相变分隔的两种截然不同的超导配对态。
• 结果支持轨道选择性配对模型，即在向列相中仅dₓz或d_yz轨道之一发生有效配对，且配对相互作用在向列序形成后立即达到饱和。
• 向列相中无能隙异常，而NEP处出现不连续变化，表明配对相互作用对向列序强度不敏感，但对向列序的有无高度敏感。