鉄系超伝導体における超伝導ギャップの位相構造の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24340089
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 花栗 哲郎 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (40251326)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: STM / 鉄系超伝導体 / 超伝導ギャップ / 準粒子干渉効果 / 双晶 / BCS-BECクロスオーバー

Outline of Annual Research Achievements

化学気相輸送法で作製された高純度FeSe単結晶の電子状態と超伝導をSTM/STSで調べた。FeSeは最も簡単な結晶構造を持つ鉄系超伝導体であるが、軌道秩序を反映した正方晶直方晶転移を示すとともに、それに伴う電子状態の大きな面内異方性を持つ。また、Fermiエネルギーが高々10 meVと極めて小さく超伝導ギャップエネルギーと同程度であり、いわゆるBCS-BECクロスオーバー領域にある。このような異常な超伝導体は他に例が無く、非常に興味深い研究対象である。本年度は、FeSeの直方晶相における双晶界面が超伝導に与える影響と、超伝導ギャップの空間構造について研究を行った。
FeSeは超伝導ギャップに節を持ち、双晶界面を挟んだ2つのドメイン間でギャップの相対的な位相が反転する。この符号反転は双晶界面においてエネルギーゼロの準粒子束縛状態をもたらすはずである。しかし、双晶近傍でSTSを行ったところ、束縛状態はゼロではなく、有限のエネルギーに現れることがわかった。この結果は、超伝導ギャップが実数である限りは説明できず、双晶が虚数成分を誘起していること、すなわち時間反転対称性を破ることを強く示唆する。双晶近傍の超伝導物性の実験研究はほとんど例が無く、今後の展開が期待できる。
超伝導ギャップの空間構造に関してはトンネルスペクトルに現れるギャップの大きさを空間的にマッピングしたところ、周期的な変調構造を見出した。この超伝導ギャップの空間変調は、昨年度見出した準粒子干渉と強い相関があり、Fermiエネルギーにおける状態密度が小さい場所でギャップが大きい。この超伝導ギャップのFriedel振動は、Fermi波数がコヒーレンス長と同程度というBCS-BECクロスオーバー領域の特徴を反映したものと考えられる。渦糸芯状態でもFriedel振動が観測されている。今後の解析によってBCS-BECクロスオーバー領域を理解する上で有用なデータを提供できるものと期待している。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Field induced superconducting phase of FeSe in the BCS-BEC crossover” (2014)
  • Author(s): S. Kasahara, T. Watashige, T. Hanaguri, Y. Kohsaka, T. Yamashita , Y. Shimoyama, Y. Mizukami, R. Endo, H. Ikeda, K. Aoyama, T. Terashima, S. Uji, T. Wolf, H. v. Lohneysen, T. Shibauchi and Y. Matsuda
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 111 Pages: 16309-16313
  • DOI: 10.1073/pnas.1413477111
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 分光イメージング走査型トンネル顕微鏡による電子状態評価 (2014)
  • Author(s): 花栗哲郎
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 49 Pages: 17-26
• [Presentation] FeSeの超伝導ギャップのFriedel振動 (2015)
  • Author(s): 花栗哲郎, 綿重達哉, 幸坂祐生, 岩谷克也, 町田理, 笠原成, 小林遼, 芝内孝禎, 松田祐司, A. Bohmer, T. Wolf, C. Meingast, H. v. Lohneysen
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Friedel oscillations of the superconducting gap in FeSe (2015)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, T. Machida, T. Shibauchi, R. Kobayashi, S. Kasahara, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, C. Meingast and H. v. Lohneysen
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Place of Presentation: San Antonio, USA
  • Year and Date: 2015-03-01 – 2015-03-06
• [Presentation] Superconducting gap and quasi-particle interference in FeSe (2014)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, Y. Fu, S. Kasahara, D. Watanabe, Y. Mizukami, T.Mikami, Y. Kawamoto, S. Kurata, T. Shibauchi, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, P. Adelmann, C. Meingast and H. v. Lohneysen
  • Organizer: 27th International Symposium on Superconductivity
  • Place of Presentation: 船堀
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
  • Invited
• [Presentation] Superconducting gap and quasi-particle interference in FeSe (2014)
  • Author(s): T. Hanaguri
  • Organizer: International Symposium on Frontier of Superconductivity Research (IV), STM on Unconventional Superconductors
  • Place of Presentation: 北京, 中国
  • Year and Date: 2014-10-23 – 2014-10-26
  • Invited
• [Presentation] FeSe の準粒子干渉と超伝導ギャップ (2014)
  • Author(s): 花栗哲郎
  • Organizer: 基研研究会「多自由度電子状態と電子相関が生み出す新奇超伝導の物理」
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2014-10-21 – 2014-10-22
  • Invited
• [Presentation] Electronic states of FeSe studied by STM/STS (2014)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, T. Machida, S. Kasahara, D. Watanabe, Y. Mizukami, T. Mikami, Y. Kawamoto, S. Kurata, T. Shibauchi, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, P. Adelmann, C. Meingast and H. v. Lohneysen
  • Organizer: Research Frontier of Transition-metal Compounds Opened by Advanced Spectroscopies
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2014-09-30 – 2014-10-02
  • Invited
• [Presentation] Spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopyon FeSe single crystals (2014)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, Y. Fu, S. Kasahara, D. Watanabe, Y. Mizukami, T. Mikami, Y. Kawamoto, S. Kurata, T. Shibauchi, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, P. Adelmann, C. Meingast and H. v. Lohneysen
  • Organizer: The Beijing International Workshop (II) on Iron-Based Superconductors
  • Place of Presentation: 北京, 中国
  • Year and Date: 2014-08-04 – 2014-08-08
  • Invited
• [Presentation] Superconducting Gap and Quasi-Particle Interference in FeSe (2014)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, Y. Fu, S. Kasahara, D. Watanabe, Y. Mizukami, T. Mikami, Y. Kawamoto, S. Kurata, T. Shibauchi, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, P. Adelmann, C. Meingast and H. v. Lohneysen
  • Organizer: The 4th International Conference of Superconductivity and Magnetism
  • Place of Presentation: Antalya, Turkey
  • Year and Date: 2014-04-27 – 2014-05-02
  • Invited