磁場侵入長の論文です。（私は光電子分光屋さんです。）

T. Hajiri2014/04/14

LaFeAsO Ca10Pt3As8(Fe2As2)5BaFe2As2LiFeAsFeSe

FeAs

1111 typeTc ~ 55 K

10-3-8/10-4-8 typeTc ~ 11/38 K

122 typeTc ~ 45 K

111 typeTc ~ 19 K

11 typeTc ~ 15 K

Iron pnictide superconductors

• 日本で発見された新たな高温超伝導体（2008年）

• 磁性元素であるFe 3d電子によるクーパー対(＠FeAs層)Y. Kamihara et al., JACS 130, 3296 (2008).

超伝導を阻害するのに2番目に高いTc

SmFeAs(O1-xFx) ：55 KLaFeAs(O1-xFx) ：41 K(Ba1-xKx)Fe2As2 ：36.5 KLiFeAs ： 19 K

超伝導転移温度の変遷

二番目に高い物質群

Superconductors

La0.99RE0.01系

s 波のBCS 超伝導体は、少量の非磁性不純物に対してはTc がほとんど変化しない（アンダーソンの定理）磁性不純物に対しては、不純物の持つスピンがクーパー対を形成する電子のスピンと相互作用し、電子のスピンの向きを変える非弾性散乱効果によりTc の減少が大きい。（Gdは強磁性体）（強磁性体は他にはFe, Co, Niなど）

B. T. Matthias, PRL 1, 92 (1958).

Cupratesfrom Wikipedia

dz2 dx2-y2

dxydyz dxz

Cu2+ ： 3d9 (1 hole)Single-band model

Iron pnictidesFe2+ ： 3d6 (4 holes)Multi-band model

D. H. Lee, NaturePhys. 8 (2012) 364.from Wikipedia

dx2-y2

?

Band structure

Band structure Fermi surface

Fermi surface

Scatteringdirection

Scatteringdirection

Iron pnictides vs. Cuprates: difference

2D FS

3D FS

LaFeAsO Ca10Pt3As8(Fe2As2)5BaFe2As2LiFeAsFeSe

FeAs

1111 typeTc ~ 55 K

10-3-8/10-4-8 typeTc ~ 11/38 K

122 typeTc ~ 45 K

111 typeTc ~ 19 K

11 typeTc ~ 15 K

Iron pnictide superconductors

Y. Kamihara et al., JACS 130, 3296 (2008). H. Chen et al., PRL 85, 17006 (2009). S. Nandi et al., PRL 104, 057006 (2010). S. Kasahara et al., PRB 81, 184519 (2010).

Iron pnictide superconductors

NodalNodeless NodalNodeless Nodal

anisotropic?(Nodal??)

超伝導状態（境界線は大体で引いたので、間違ってるかもしれません）

鉄系高温超伝導体• 相図は物質間で似ている。• 超伝導状態が異なる

（ノードが入ったり入らなかったり。ノードの入る場所が違ったり色々ある。）

• ドープ量依存性• 物質間での比較が面白そう！

超伝導ギャップ（Cuprate）

フェルミ面

超伝導ギャップ

Nodeless: 全てのフェルミ面上で超伝導ギャップが開いている。

Nodal： フェルミ面上で超伝導ギャップが閉じている場所がある。

銅酸化物高温超伝導体• 相図は物質間で似ている。• 超伝導状態は一緒

T. Kondo et al., arXiv:1404.0911 (2014).

I. I. Mazin, Nature 464, 183 (2010).

Bi2Sr2CaCu2O8+δ

LaFeAsO Ca10Pt3As8(Fe2As2)5BaFe2As2LiFeAsFeSe

FeAs

1111 typeTc ~ 55 K

10-3-8/10-4-8 typeTc ~ 11/38 K

122 typeTc ~ 45 K

111 typeTc ~ 19 K

11 typeTc ~ 15 K

Iron pnictide superconductors

今までやって来た。 今度はこれやってみようかな。（10-3-8の方）

Ca10Pt3As8[(Fe1-xPtx)2As2]5

特徴点（赤字がこの論文に書いてあること）

• 母物質が半導体的⇔他の鉄系は反強磁性を示す金属

• スペーサー層（ブロック層）が共有結合⇔イオン結合性（共に電気伝導はほとんどない）

• 反強磁性相と超伝導相が共存しない⇔共存している

• 臨界磁場の異方性が大きい（Hc2,ab/Hc2,c ~10）⇔122系 ~2-4、1111系 ~7-8、cuprate ~10

BaFe2As2Ca10Pt3As8[(Fe1-xPtx)2As2]5この論文での相図

＊反強磁性相の存在については、無いと言う報告もある

Z. J. XIANG et al.,PRB 85, 224527 (2012).

X. F. Wang et al.,PRL 102, 117005 (2009).

Motivation

10-3-8 type

Cuprate (YBCO)

• CupratesLow-dimensionalな結晶構造が電子状態（臨界磁場）の異方性、高いTcと超伝導ギャップ異方性に関わっている。

• 122-type iron pnictidesCuprateに似たLayer構造なのに電子状態（臨界磁場）の異方性が小さいし、optimalでは超伝導ギャップが等方的。一方で超伝導dome edgeでは超伝導ギャップが異方的

電子状態（臨界磁場）の異方性が超伝導ギャップ構造の異方性に影響するかどうかを、超伝導と磁性が共存しない異方性の大きな系で調べたい。

（アンダードープ側の異方性は、磁性の影響のためかもしれないから）

122 type

Ca10Pt3As8[(Fe1-xPtx)2As2]5が理想的！

磁場侵入長測定低エネルギー準粒子励起を直接観測する事が出来る手法

Method

磁場侵入長∗ / ∗:有効質量

:超伝導電子の密度:真空の透磁率

フルギャップの場合Δ

0Δ

2exp

Δ

Nodalの場合Δ

0ln2Δ

詳しくは以下参照して下さい。R. Prozorov et al., Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) R41–R67.

もうちょっと詳しい説明は後ほど。

K. Hashimoto et al., PRL 108, 047003 (2012).

exponential

linear

Polarized-light imagesCa10Pt3As8[(Fe1-xPtx)2As2]5 Ba(Fe1-xCox)2As2

R. Prozorov et al., PRB 80, 174517 (2009).

due tomagnetic (spin) fluctuation?

Mesh-like contrast due to structural domain

（対称性の低下のため）

Tetragonal to Orthorhombic

ストライプ型の反強磁性（1111系、122系）

a ≠ b(3%ほどの差)

M. D. Lumsden et al., Journal of physics. Condensed matter :an Institute of Physics journal 22 (2010) 203203.

SCとAFMは共存しない。

London penetration depth （磁場侵入長）

Tc

R. T. Gordon et al., PRB 82, 054507 (2010).

R. Prozorov et al., Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) R41–R67.

London penetration depth （磁場侵入長）

fitted to a power law （べき乗則）∆

dome edgeの方では

この領域に熱励起された準粒子がいる。

（s++の可能性も）

London penetration depth （磁場侵入長）

R. T. Gordon et al., PRB 82, 054507 (2010).

Ba(Fe1-xCox)2As2

磁場侵入長が反強磁性に影響を受けている。

10-3-8系共存していないのに、dome edgeの方では磁場侵入長が変化

（超伝導ギャップが異方的に）

①Optimalからずれると超伝導

ギャップの異方性が出ることは、鉄系では共通の特徴。

②SCとAFMの共存は超伝導

ギャップ構造に影響を与えない。

③臨界磁場の異方性は、超伝導ギャップ構造決定には重要では無い。

超流動密度・超伝導発現メカニズム

超流動密度 • 明確に、s波あるいはd波とは異なっている。

• セルフコンシステント2ギャップ s波γモデルで、ほぼ再現可能。＊低温でのずれは、pair-breaking散乱？

optimalドープからアンダードープにむけて、超伝導ギャップの異方性が大きくなる。

• 超伝導ギャップの異方性が発達するのは、超伝導dome内で異なる超伝導発現機構の可能性。（磁気揺らぎと軌道揺らぎの発達）

• あるいは、バンド間結合とバンド内クーロン斥力、そしてpair-breaking不純物散乱

をベースとした普遍的なペアリングシナリオ（スピン揺らぎ？）での異方性の可能性。

T. Sturzer et al., J. Phys.: Condens. Matter 25, 122203 (2013).

No reduction of the space group.But the local tetragonal symmetry in FeAs layer is broken.

まとめ

10-3-8系Ca10Pt3As8[(Fe1-xPtx)2As2]5の磁場侵入長測定を行った。• optimalドープからアンダードープにむけて、べ

き乗が2.36(optimal)から1.7(under)に変化する事を見出した。（SC dome edgeに向かうほど、超伝導ギャップの異方性が大きくなる事を示している。）

• 超伝導ギャップの異方性が発達するのは、超伝導と反強磁性の共存に起因するものではない。

• べき乗の変化は、鉄系高温超伝導体で共通の“強い”特徴であり、マルチバンドに由来しているかもしれない。