High resolution neutron spectroscopy of excitations in superconductors

Abstract

In this work, anomalies of acoustic phonons are studied in the elemental superconductors Nb and Pb and in lead-thallium and lead-bismuth. By using high-resolution spin-echo neutron spectroscopy, energy resolutions in the range of micro-eV were reached, which corresponds to an improvement of several orders of magnitude compared to conventional neutron spectroscopy. Several renormalization effects and anomalies appear at phonon energies near the energy gap and at temperatures above and below the superconducting transition temperature. Whereas the relative changes of the linewidths and energies agree well with predictions based on BCS theory, the absolute values differ significantly. Surprisingly, Kohn anomalies coincide with the saturated energy gap magnitude both in Nb and Pb. By means of neutron spectroscopy on several Pb1-xBix and Pb1-xTlx alloys, it could be demonstrated that the saturated energy gap follows the energy of the Kohn anomaly as it changes in the alloys.

In dieser Arbeit wurden Anomalien akustischer Phononen in den elementaren Supraleitern Nb und Pb und in Blei-Thallium und Blei-Wismuth Legierungen untersucht. Mittels hochauflösender Spin-Echo Neutronenspektroskopie wurden Auflösungen im Bereich einiger Mikro-eV erreicht, was einer Verbesserung von mehreren Größenordnungen im Vergleich zu konventioneller Neutronenspektroskopie entspricht. Bei Phononen-Energien nahe der Energielücke und bei Temperaturen um die Sprungtemperatur treten verschiedene Renormalisierungseffekte und Anomalien auf. Während die relativen Änderungen der Linienbreiten und der Energien gut mit Vorhersagen basierend auf der BCS-Theorie übereinstimmen, weichen die Absolutwerte signifikant davon ab. Überraschend ist die Koinzidenz einer Kohn-Anomalie mit der gesättigten Energielücke bei T=0 K, sowohl in Nb als auch in Pb. Mittels Neutronenspektroskopie an verschiedenen Pb1-xBix und Pb1-xTlx Legierungen konnte gezeigt werden, dass die gesättigte Energielücke der Energie der sich in den Legierungen ändernden Kohn-Anomalie folgt.