Forward focused interfacial phonons between iron-based superconductors (FeSCs) and perovskite substrates have received considerable attention due to the possibility of enhancing preexisting superconductivity. However, a direct real-space evidence of interfacial-phonon enhanced superconductivity are currently lacking. Using scanning tunneling spectroscopy, we studied the correlation between superconductivity and electron-phonon interaction in a single crystal iron-based superconductor $Sr_{2}VO_{3}FeAs$ ($T_c \approx 33 K$). We observed the replica bands in the QPI data as a spectroscopic evidence of forward-scattering phonons. Using gap-map-based masked QPI analysis and self-consistent QPI calculations, we observed a number of subtle changes in the renormalized bands consistent with the positive correlation between the electron-phonon coupling and the superconducting gap. We also confirmed that the source of the gap inhomogeneity could be explained not by charge doping effect but by change in local electron-phonon coupling strength in the presence of O vacancies in the $VO_2$ layer. Our results provide a unique demonstration of phonon-induced enhancement of unconventional superconductivity in a bulk heterostructure system comprised of FeAs/oxide layers.
We also report the spin-polarized scanning tunneling microscopy (SPSTM) study in the identical sample. From our SPSTM measurement, we observed the $C_4$ symmetric (2×2) magnetic domains and its phase domain walls. This magnetic order is perfectly consistent with the plaquette antiferromagnetic order in tetragonal Fe spin lattice expected from theories based on the Heisenberg exchange interaction of local Fe moments and the quantum order by disorder. The temperature dependent topograph clearly shows that the magnetic phase transition begins at $T_N \approx 50 K$, which is consistent with the experimental results of nuclear magnetic resonance. Furthermore, from our large scale time lapse topographs, we found the existence of phase domain walls with three types of spin configuration. We confirmed that these domain walls are pulled by spin-polarized tip under the influence of spin-polarized tunneling current which entails the spin transfer torque. The domain wall dynamics are consistent with theoretical simulation based on the extended Landau-Lifshitz-Gilbert equation.
철 계열 초전도체/페로브스카이트 계면에서의 전방 산란 포논은 기존 페어링을 도와 초전도 임계온도를 향상시킬 가능성으로 상당한 주목을 받았다. 하지만 계면 포논과 초전도와의 직접적인 상관관계를 밝힌 연구 사례는 현재까지 없는 상황이다. 우리는 초전도와 전자-포논 상호작용간의 상관관계를 밝히기 위하여 주사 터널링 현미경 (STM) 을 이용한 단결정 철 계열 초전도체 $Sr_{2}VO_{3}FeAs$ ($T_c \approx 33 K$) 연구를 수행하였다. 준입자 산란 (QPI) 데이터에서 전방 산란 포논의 분광학적 증거인 복제 밴드를 관측하였으며, 이때의 포논 모드는 c-축으로 대칭적으로 진동하는 모드임을 확인하였다. 초전도 갭을 크고 작은 두 영역으로 나누는 2차원 마스크를 준입자 산란 데이터에 적용하여 밴드의 재규격화를 분석하였고, 이를 통해 초전도와 전자-포논 상호작용 사이에 양의 상관관계가 있음을 입증하였다. 또한 초전도 갭의 공간적 비균질성의 원인은 철 계열 초전도체에서 보고되는 전하의 도핑 효과가 아닌 $VO_2$ 층의 O 결핍 때문이며, O 결핍이 전자-포논 상호작용을 향상시켜 초전도 갭이 커지는 것을 증명하였다. 본 연구 결과는 이상 (unconventional) 초전도체에서 포논에 의한 $T_c$ 향상을 보인 유일한 증거이며, 미래의 포논 기반 헤테로 구조 초전도체 연구의 길잡이가 될 것이라 기대된다.
스핀 편극 주사 터널링 현미경 (SPSTM) 을 이용하여 동일한 물질에서 철 층의 스핀 구조 연구를 수행하였다. 스핀 편극 주사 터널링 현미경 이미지로부터 $C_4$ 대칭성을 갖는 자기 도메인과 도메인 벽을 관측하였고, 철 층의 스핀이 plaquette 반강자성 구조임을 확인하였다. 가변 온도 실험결과로부터 자기 상전이가 $T_N \approx 50 K$ 에서 발생함을 확인하였고 이는 선행연구인 핵자기 공명 (NMR) 실험 결과와 일치한다. 연속적으로 측정된 이미지에서 세 종류의 스핀 구조를 갖는 도메인 벽의 존재와 움직임을 관측하였고, 각각의 도메인 벽이 스핀 전달 토크를 수반하는 팁의 스핀 편극 터널링 전류에 의해 끌려가는 것을 확인하였다. 도메인 벽의 동역학은 란다우-립시츠-길버트 방정식 기반의 시뮬레이션 결과와 일치한다.
