[论文解读] Unusual temperature evolution of superconductivity in LiFeAs

Pranab Kumar Nag, Ronny Schlegel+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2015

Iron-based superconductors research被引用 8

一句话总结

本研究通过在原子洁净表面上进行高分辨率扫描隧道谱，揭示了化学计量比LiFeAs中一种不寻常的两步超导转变。在18 K时，出现具有相干峰和拖拽-驼峰结构的部分超导能隙，表明为强耦合超导；该状态在16 K时显著演化为完全能隙态，同时能隙能量近乎跃迁式增加至低温值的87%，而自旋激发模式能量几乎保持不变，表明其与非公度自旋涨落无直接关联。

ABSTRACT

We have performed temperature dependent tunneling spectroscopy on an impurity-free surface area of a LiFeAs single crystal. Our data reveal a highly unusual temperature evolution of superconductivity: at $T_c^*=18$~K a partial superconducting gap opens, as is evidenced by subtle, yet clear features in the tunneling spectra, i.e. particle-hole symmetric coherence peaks, and a dip-hump structure which signals strong-coupling superconductivity. At $T_c=16$~K, these features substantiate dramatically and become characteristic of full superconductivity. Remarkably, this is accompanied by an almost jump-like increase of the gap energy at $T_c$ to about 87\% of its low-temperature gap value. The energy of the bosonic mode as measured by the distance between the coherence peak and the higher-energy dip remains practically constant in the whole temperature regime $T\leq T_c^*$. The comparison of these findings with established experimental and theoretical results lead us to suggest that the bosonic mode is not directly related to incommensurate spin fluctuations that have previously been observed in inelastic neutron scattering.

研究动机与目标

• 以原子尺度分辨率研究化学计量比LiFeAs中内在的超导温度演化行为。
• 解决不同实验技术报道的临界温度（Tc）之间长期存在的差异。
• 确定所观测到的自旋激发模式是否与此前通过非弹性中子散射探测到的非公度自旋涨落有关。
• 阐明多带超导与费米面拓扑在LiFeAs异常超导行为中的作用。

提出的方法

• 在化学计量比LiFeAs单晶的无杂质、原子平整表面上进行扫描隧道谱（STS）测量。
• 在超导转变区域精确控制样品环境与表面质量，获取温度依赖的dI/dV谱。
• 样品通过自通量法生长，并利用75As NQR表征，确认其高化学计量均匀性与低缺陷密度。
• 对STS数据进行分析，追踪相干峰、拖拽-驼峰结构及自旋激发模式能量（Ω）随温度的变化。
• 将结果与角分辨光电子能谱（ARPES）能带结构数据、非弹性中子散射（INS）结果及多带超导理论模型进行对比。
• 采用涉及α、β和γ费米面口袋上不同超导能隙的多带模型，解释两阶段转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 LiFeAs是否表现出两阶段超导转变，即先形成部分能隙，随后发展为完全能隙？
• RQ2 所观测到的自旋激发模式能量（Ω）在Tc*以下是否与温度无关？这对其起源有何启示？
• RQ3 不同实验方法报道的Tc值差异是否可通过内在的局域电子非均匀性或多带效应得到调和？
• RQ4 导致强耦合超导特征的自旋激发模式是否与非弹性中子散射中观测到的非公度自旋涨落有关？
• RQ5 根据多带理论预测，k_z ≈ π处的α-带超导序参量是否先于k_z ≈ 0处的完全超导态出现？

主要发现

• 在Tc* = 18 K时，出现具有粒子-空穴对称相干峰及拖拽-驼峰结构的部分超导能隙，标志强耦合超导的开始。
• 在Tc = 16 K时，相干峰移动至±6 mV，对应于低温能隙值的约87%，表明超导能隙出现显著增强。
• 自旋激发模式能量（即相干峰与拖拽谷之间的距离）从T = 0 K至Tc*几乎保持不变，仅在Tc时出现轻微降低。
• 该自旋激发模式与非弹性中子散射中观测到的非公度自旋涨落无直接关联，因后者源于γ-和β-带激发，而非α-带。
• 两个显著的转变温度（18 K和16 K）是材料的本征性质，非由样品非均匀性引起，已通过高质量NQR及在单一洁净表面区域的STS结果证实。
• 数据支持一种多带超导机制：超导首先在k_z ≈ π处的α-费米面口袋上出现，随后在更低温度下扩展至所有费米面口袋，实现完全配对。