[论文解读] Universal heat conduction in the iron-arsenide superconductor KFe2As2 : Evidence of a d-wave state

Jean Philippe Reid, Tanatar, M. A.+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2012

Iron-based superconductors research被引用 10

一句话总结

本研究提供了有力证据，表明铁砷化物超导体KFe₂As₂表现出d波配对对称性，其依据是与杂质散射无关的普遍热传导。在50 mK下测量的热导率显示，残余线性项κ₀/T对无序具有鲁棒性，与由对称性强制的节点特征一致，这正是dₓ²⁻y²配对的特征，与具有偶然节点的s波态不一致。

ABSTRACT

The thermal conductivity of the iron-arsenide superconductor KFe2As2 was measured down to 50 mK for a heat current parallel and perpendicular to the tetragonal c-axis. A residual linear term (RLT) at T=0 is observed for both current directions, confirming the presence of nodes in the superconducting gap. Our value of the RLT in the plane is equal to that reported by Dong et al. [Phys. Rev. Lett. 104, 087005 (2010)] for a sample whose residual resistivity was ten times larger. This independence of the RLT on impurity scattering is the signature of universal heat transport, a property of superconducting states with symmetry-imposed line nodes. This argues against an s-wave state with accidental nodes. It favors instead a d-wave state, an assignment consistent with five additional properties: the magnitude of the critical scattering rate for suppressing Tc to zero; the magnitude of the RLT, and its dependence on current direction and on magnetic field; the temperature dependence of the thermal conductivity.

研究动机与目标

• 使用热导率作为探测手段，确定铁砷化物超导体KFe₂As₂中的配对对称性。
• 区分具有对称性强制节点的d波配对与具有偶然节点的s波配对。
• 研究节点准粒子在不同杂质散射和磁场下的鲁棒性。
• 检验所观测到的热输运行为是否与d波超导体的理论预测一致。

提出的方法

• 测量单晶KFe₂As₂的热导率κ，温度低至50 mK，分别沿c轴平行和垂直于c轴方向施加热流。
• 使用阿布里科索夫-戈尔科夫公式，将杂质对Tc的抑制与临界散射率Γc关联起来。
• 通过分析κ/T的T²依赖关系，提取准粒子贡献并估算杂质带宽γ。
• 测量κ₀/T的磁场依赖性，以探测涡旋形成引起的准粒子激发。
• 将结果与d波和s波超导体的理论模型进行比较，包括温度和磁场依赖性。
• 对具有不同残余电阻率比（RRR）的样品数据进行归一化，以分离本征输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 残余线性项κ₀/T在不同杂质散射下是否保持不变，表明存在普遍热输运？
• RQ2 所观测到的节点准粒子行为是否与d波能隙或具有偶然节点的s波态一致？
• RQ3 在低温下，κ/T的温度依赖性与d波和s波能隙的理论预测相比如何？
• RQ4 将Tc抑制至零所需的临界散射率Γc是多少？其值是否与d波配对的预期相符？
• RQ5 κ₀/T的磁场依赖性如何反映超导能隙中节点的存在？

主要发现

• 热导率中的残余线性项κ₀/T与杂质散射无关，高RRR样品的值为0.21 μΩ·cm·K⁻¹，低RRR样品的值为2.24 μΩ·cm·K⁻¹，证实了普遍热输运。
• 沿a轴方向电流测得的κ₀/T与董等人报告的值完全一致，其样品的ρ₀高出十倍，表明对无序具有强鲁棒性。
• 在低于0.3 K时，κ/T的温度依赖性表现出明显的T²行为，κₐ/T = (κₐ₀/T)(1 + 23 T²)，与d波准粒子及杂质散射效应一致。
• 将Tc抑制至零所需的临界散射率Γc量级为Tc₀，与d波配对的预期一致，与最佳掺杂BaFe₂As₂中发现的50×Tc₀值形成鲜明对比。
• κ₀/T的磁场依赖性表现出非单调上升，与清洁d波超导体的理论预测高度一致。
• 所观测到的T²依赖性和磁场响应与扩展s波能隙不一致，因为后者不表现出此类T²标度。