Статья
Особенности туннельной проводимости контактов на микротрещине в монокристаллах BaFe2-xNixAs2 недодопированных составов
И. А. Никитченков
Физический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, 119991, Москва, Россия
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект, 53, 119991, Москва, Россия
e-mail: nikitchenkov.ia19@physics.msu.ru
А. Д. Ломоносова
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект, 53, 119991, Москва, Россия
С. А. Кузьмичев
Физический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, 119991, Москва, Россия
К. С. Перваков
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект, 53, 119991, Москва, Россия
В. А. Власенко
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект, 53, 119991, Москва, Россия
УДК 538.945
Аннотация
Исследованы особенности I(V) и dI(V)/dV-характеристик туннельных контактов на микротрещине, созданных в монокристаллах BaFe2-xNixAs2 с x ≈ 0.07 и 0.08 недодопированных составов и критическими температурами Tc ≈ 16 и 19 К, соответственно, при различных температурах. Как выше, так и ниже Тс обнаружена воспроизводимая нелинейность I(V) и туннельной проводимости, нехарактерная для контактов на основе классических сверхпроводников и не связанная напрямую со сверхпроводящими свойствами. Нелинейность характеризуется присутствием на спектрах дифференциальной проводимости максимумов и минимумов dI(V)/dV, расположенных при напряжениях смещения Vmax ≈ 21 мВ, Vmin ≈ 40 мВ для составов с x ≈ 0.07 и Vmax ≈ 19 мВ, Vmin ≈ 48 мВ для x ≈ 0.08. Ниже Тс на фоне данной нелинейности присутствуют особенности, вызванные эффектом некогерентных андреевских отражений. Из анализа андреевских особенностей dI(V)/dV-спектров были оценены энергетические параметры сверхпроводящего состояния — амплитуда большой сверхпроводящей щели 2ΔL(0) = 5.8–7.9 мэВ и малой сверхпроводящей щели 2ΔS(0) = 2.3 мэВ для состава BaFe1.92Ni0.08As2, а также амплитуда большой сверхпроводящей щели 2ΔL(0) = 4.5–8.5 мэВ для BaFe1.93Ni0.07As2 (предположительно, диапазон значений 2ΔL(0) обусловлен анизотропией сверхпроводящего конденсата в k-пространстве). Обсуждается природа наблюдаемых эффектов.
Ключевые слова: высокотемпературная сверхпроводимость, пниктиды, туннельная спектроскопия, плотность электронных состояний.
Литература
[1] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, et al. Iron-Based Layered Superconductor: LaOFeP. J. Am. Chem. Soc. 128, 10012 (2006). DOI: 10.1021/ja063355c
[2] J. Paglione and R. L. Greene. High-temperature superconductivity in iron-based materials Nature Phys. 6, 645 (2010). DOI: 10.1038/nphys1759
[3] H. Hosono, A. Yamamoto, H. Hiramatsu, and Y. Ma. Recent advances in iron-based superconductors toward applications. Materials Today 21, 278 (2018). DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.09.006
[4] X. Lu, Phase Diagram and Magnetic Excitations of BaFe2-xNixAs2: Springer (2017).
[5] S. Ideta, T. Yoshida, I. Nishi, et al. Dependence of Carrier Doping on the Impurity Potential in Transition-Metal-Substituted FeAs-Based Superconductors. Physical Review Letters 110, 100700 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.107007
[6] D.V. Evtushinsky, V.B. Zabolotnyy, L. Harnagea, et al. Electronic band structure and momentum dependence of the superconducting gap in Ca1− xNaxFe2As2 from angle-resolved photoemission spectroscopy. Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics 87, 0945501 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevB.87.094501
[7] A.A. Kordyuk, V.B. Zabolotnyy, D.V. Evtushinsky et al. Electronic band structure of ferro-pnictide superconductors from ARPES experiment. Journal of superconductivity and novel magnetism 26, 2837 (2013). DOI: 10.1007/s10948-013-2210-8
[8] Т. Е. Кузьмичева, С. А. Кузьмичев, К. С. Перваков, В. А. Власенко. Сравнение щелевой структуры сверхпроводящих пниктидов BaFe2-xNixAs2 недо- и передопированного состава. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики 118, 526 (2023). DOI: 10.31857/S1234567823190096
[9] T.E. Kuzmicheva, A.V. Muratov, S.A. Kuzmichev, et al. On the structure of the superconducting order parameter in high-temperature Fe-based superconductors. Physics-Uspekhi 60, 419 (2017). DOI: 10.3367/UFNe.2016.10.038002
[10] Т. Е. Кузьмичева, Ю. А. Алещенко, П. И. Безотосный и др. Экспериментальные и теоретические исследования пниктидов семейства BaFe2As2 с электронным замещением (Миниобзор). Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики 121, 432 (2025). DOI: 10.31857/S0370274X25030184
[11] Q. Si, R. Yu & E. Abrahams. High-temperature superconductivity in iron pnictides and chalcogenides. Nature Reviews Materials 1, 16017 (2016). DOI: 10.1038/natrevmats.2016.17
[12] S.J. Moon, A.A. Schafgans, S. Kasahara, et al. Infrared measurement of the pseudogap of P-doped and Co-doped high-temperature BaFe2As2 superconductors. Physical review letters 109, 027006 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.027006
[13] T. Shimojima, T. Sonobe, W. Malaeb, et al. Pseudogap formation above the superconducting dome in iron pnictides. Physical Review B 89, 045101 (2014). DOI: 10.1103/PhysRevB.89.045101
[14] I.I. Mazin, D.J. Singh, M.D. Johannes, and M.H. Du. Unconventional Superconductivity with a Sign Reversal in the Order Parameter of LaFeAsO1-xFx. Physical Review Letters 101, 057003 (2008). DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.057003
[15] M.M. Korshunov. Superconducting state in iron-based materials and spin-fluctuation pairing theory. Uspekhi Fizicheskih Nauk 184, 882 (2014). DOI: 10.3367/ufnr.0184.201408h.0882
[16] M. Yi, D.H. Lu, J.-H. Chu, et al. Symmetry-breaking orbital anisotropy observed for detwinned Ba(Fe1-xCox)2As2 above the spin density wave transition. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108, 3878 (2011). DOI: 10.1073/pnas.1015572108
[17] R.M. Fernandes, A.V. Chubukov, J. Schmalian. What drives nematic order in iron-based superconductors? Nature physics 10, 97 (2014). DOI: 10.1038/nphys2877
[18] Q. Hu, Y. Zheng, H. Xu, et al. Evidence for saddle point-driven charge density wave on the surface of heavily hole-doped iron arsenide superconductors. Nat Commun 16, 253 (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55368-7
[19] A.V. Tsvetkova, Ya.I. Rodionov, & P.D. Grigoriev. Resistivity, density of electronic states, and superconducting transition temperature in density wave compounds with imperfect nesting. Physical Review B 111, 205141 (2025). DOI: 10.1103/physrevb.111.205141
[20] F. Massee, Y.K. Huang, J. Kaas, et al. Pseudogap-less high-T c superconductivity in BaCoxFe2−xAs2. EPL (Europhysics Letters) 92, 57012 (2010). DOI: 10.1209/0295-5075/92/57012
[21] L. Shan, J. Gong, Y.-L. Wang, et al. (2012). Evidence of a Spin Resonance Mode in the Iron-Based Superconductor Ba0.6K0.4Fe2As2 from Scanning Tunneling Spectroscopy. Physical Review Letters 108, 227002 (2012). DOI: 10.1103/physrevlett.108.227002
[22] Z. Wang, H. Yang, D. Fang, B. Shen, et al. (2012). Close relationship between superconductivity and the bosonic mode in Ba0.6K0.4Fe2As2 and Na(Fe0.975Co0.025)As. Nature Physics 9, 42 (2012). DOI: 10.1038/nphys2478
[23] D. Fang, X. Shi, Z. Du, et al. Observation of a van Hove singularity and implication for strong coupling induced Cooper pairing in KFe2As2. Phys. Rev. B 92, 144513 (2015).
[24] H.Z. Arham, C.R. Hunt, W.K. Park, et al. Detection of orbital fluctuations above the structural transition temperature in the iron pnictides and chalcogenides. Physical Review B 85, 214515 (2012). DOI: 10.1103/physrevb.85.214515
[25] И.А. Никитченков, С.А. Кузьмичев, А.Д. Ильина и др. (2024). Туннельная спектроскопия BaFe2−хNiхAs2 с вариацией степени допирования в сверхпроводящем и нормальном состояниях. Журнал экспериментальной и теоретической физики 166, 834 (2024). DOI: 10.31857/s0044451024120071
[26] I.A.Nikitchenkov, A.D.Ilina, V.M. Mikhailov, ey al, Tunneling spectroscopy of slightly overdoped pnictides BaFe1.88Ni0.12As2 in the superconducting and normal state. Vestnik Moskovskogo Universiteta, Seriya 3: Fizika, Astronomiya 78, 234050 (2023). DOI: 10.55959/msu0579-9392.78.2340501
[27] I. Giaever, K. Megerle. Study of superconductors by electron tunneling. Physical Review 122, 1101 (1961). DOI: 10.1103/PhysRev.122.1101
[28] K.S. Pervakov, V.A. Vlasenko, E.P. Khlybov, et al. Bulk magnetization and strong intrinsic pinning in Ni-doped BaFe2As2 single crystals. Supercond. Sci. Technol. 26, 015008 (2013). DOI: 10.1088/0953-2048/26/1/015008
[29] V.A. Vlasenko, O.A. Sobolevskiy, A.V. Sadakov, et al. Systematic Study of Vortex Pinning and a Liquid–Glass Phase Transition in BaFe2–xNixAs2 Single Crystals. JETP Letters. 107, 121 (2018). DOI: 10.1134/S0021364018020042
[30] T.E. Kuzmicheva, S.A. Kuzmichev, K.S. Pervakov, V.A. Vlasenko. Superconducting order parameters in overdoped BaFe1.86Ni0.14As2 revealed by multiple Andreev reflection spectroscopy of planar break junctions. Phys. Rev. B 104, 174512 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevB.104.174512
[31] A.V. Sadakov, A.V. Muratov, S.A. Kuzmichev et al. Determination of the Superconducting Order Parameter of BaFe1.92Ni0.08As2 Weakly Underdoped Pnictides by Two Complementary Techniques. JETP Lett. 116, 708 (2022). DOI: 10.1134/S0021364022602093
[32] J. Moreland, J.W. Ekin. Electron Tunneling Experiments Using Nb-Sn Break Junctions. J. Appl. Phys. 58, 3888 (1985).
[33] S.A. Kuzmichev, T.E. Kuzmicheva. “Break-junction” technique in application to layered superconductors (Review Article). Low. Temp. Phys. 42, 1008 (2016). DOI: 10.1063/1.4971437
[34] M. Octavio, M. Tinkham, G.E. Blonder, T.M. Klapwijk. Subharmonic energy-gap structure in superconducting constrictions. Phys. Rev. B 27, 6739 (1983). DOI: 10.1103/PhysRevB.27.6739
[35] D. Averin and A. Bardas. ac Josephson Effect in a Single Quantum Channel. Phys. Rev. Lett. 75, 1831 (1995). DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.1831
[36] R. Kummel, U. Gunsenheimer, and R. Nicolsky. Andreev scattering of quasiparticle wave packets and current-voltage characteristics of superconducting metallic weak links. Phys. Rev. B 42, 3992 (1990). DOI: 10.1103/PhysRevB.42.3992
[37] Z. Popović, S. Kuzmichev, T. Kuzmicheva. Amplitudes of minima in dynamic conductance spectra of the SNS Andreev contact. J. Appl. Phys. 128, 013901 (2020). DOI: 10.1063/5.0010883
[38] T.P. Devereaux, P. Fulde. Multiple Andreev scattering in superconductor–normal metal–superconductor junctions as a test for anisotropic electron pairing. Phys. Rev. B 47, 14638 (1993). DOI: 10.1103/PhysRevB.47.14638
[39] J. Fink, J. Nayak, E. D. L. Rienks, et al. Evidence of hot and cold spots on the Fermi surface of LiFeAs. Physical Review B 99, 245156 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevB.99.245156
[40] Yu.V. Sharvin. A Possible Method for Studying Fermi Surfaces. Sov. Phys. JETP 21, 655 (1965).
[41] G. Wexler. The size effect and the non-local Boltzmann transport equation in orifice and disk geometry. Proc. Phys. Soc. 89, 927 (1966). DOI: 10.1088/0370-1328/89/4/316
[42] W.-C. Lee, & P.W. Phillips. (2012). Non-Fermi liquid due to orbital fluctuations in iron pnictide superconductors. Physical Review B 86, 245113 (2012). DOI: 10.1103/physrevb.86.245113