[論文レビュー] Charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in superconducting NbTiN films

A. Yu. Mironov, D. M. Silevitch+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 22被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超伝導体-絶縁体転移（SIT）の絶縁側における臨界抵抗の挙動によって特定された、超伝導性NbTiN膜における電荷バーレィンスキー＝コスターリッツ＝トゥースの（BKT）転移の初回実験的観測を報告する。この転移は磁場に依存する非単調な依存性を示し、臨界温度が低磁場領域で急激に上昇し、その後ピークに達する。これは対数的電荷相互作用によって駆動され、電気的スクリーニングが発散する有限温度の超絶縁状態の存在を確認するものである。

ABSTRACT

A half-century after the discovery of the superconductor-insulator transition (SIT), one of the fundamental predictions of the theory, the charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition that is expected to occur at the insulating side of the SIT, has remained unobserved. The charge BKT transition is a phenomenon dual to the vortex BKT transition, which is at the heart of the very existence of two-dimensional superconductivity as a zero-resistance state appearing at finite temperatures. The dual picture points to the possibility of the existence of a superinsulating state endowed with zero conductance at finite temperature. Here, we report the observation of the charge BKT transition on the insulating side of the SIT, identified by the critical behavior of the resistance. We find that the critical temperature of the charge BKT transition depends on the magnetic field exhibiting first the fast growth and then passing through the maximum at fields much less than the upper critical field. Finally, we ascertain the effects of the finite electrostatic screening length and its divergence at the magnetic field-tuned approach to the superconductor-insulator transition.

研究の動機と目的

• 超伝導体-絶縁体転移（SIT）の絶縁側における、まだ観測例のない電荷バーレィンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移の実験的観測を目的とし、超伝導体における渦BKT転移の双対的対応を求める。
• 臨界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ の磁場依存性を調査し、非単調な挙動を示す理論的予測を検証する。
• 2次元超伝導膜の量子臨界点近くにおける静電的スクリーニング長と誘電率の発散が、電荷BKT転移に果たす役割を解明する。
• 純チタン窒化物（TiN）やニオブium窒化物（NbN）膜に比べ、$ T_c $ が向上し、安定性に優れるため、NbTiNを臨界現象を観測するための安定なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 反応スパッタリング法を用いて、AlNバッファ層を介した sapphire サブストレート上にエピタキシャルNbTiN膜（10–20 nm 厚さ）を成長させ、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）および回折測定により確認した。
• X線回折およびヴェガルドの法則を用いて格子定数を決定し、NbN含有率 $ x = 0.7 \pm 0.02 $ の固溶体形成を確認した。
• 4端子法および2端子法による抵抗測定が可能な10端子抵抗バー（50 μm 幅、100–250 μm 電極間隔）をフォーミングし、超伝導領域および絶縁領域をカバーする高精度な抵抗抽出を可能にした。
• ヘリウム希釈冷凍機とSR830ロックインアンプを用いて低温での精密抵抗測定を実施し、低ノイズプリアンプを用いて高抵抗領域の測定を最適化した。
• 線形応答領域における2端子法および4端子法の応用を行い、高温領域でのクロスキャリブレーションによりシート抵抗を決定した。
• $ R(T) $ および $ R(B) $ データの解析を通じて臨界挙動を特定し、$ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ を抽出した。理論的モデルとして対数的電荷相互作用およびスクリーニング長 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷BKT転移は、NbTiN膜におけるSITの絶縁側で臨界抵抗の発散として現れるか？
• RQ2 電荷BKT転移の臨界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ は、印加磁場にどのように依存するか？
• RQ3 量子臨界点近くにおける静電的スクリーニング長 $ \Lambda $ は、電荷BKT転移を媒介する役割を果たすか？
• RQ4 高臨界温度・高安定性を示す超伝導膜系において、渦-電荷双対性の図式を実験的に確認できるか？
• RQ5 有限温度でゼロ伝導度を示す超絶縁状態は、NbTiN膜で実現可能かつ測定可能か？

主な発見

• 超伝導体-絶縁体転移（SIT）の絶縁側において、臨界抵抗の挙動を介して、電荷バーレィンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移が実験的に観測された。
• 電荷BKT転移の臨界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ は、低磁場領域で磁場の増加に伴い急激に上昇し、その後ピークに達した後減少するという、非単調な磁場依存性を示した。
• $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ のピークは、上臨界磁場 $ B_{c2}(0) $ よりもはるかに小さい磁場で発生しており、量子臨界点近くでの誘電率の発散を示唆する理論的予測と整合的である。
• 磁場調整による量子臨界点において、静電的スクリーニング長 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ が発散し、超絶縁状態の実現に寄与する誘電率の発散の役割が確認された。
• 15 nmおよび20 nmのNbTiN膜では、それぞれ $ T_c = 3.35 \, \text{K} $ および $ 4.27 \, \text{K} $ を示し、$ B_{c2}(0) = 10.5 \, \text{T} $ および $ 12 \, \text{T} $ であった。これは、臨界現象の観測に適した超伝導の安定性が向上していることを示している。
• 10 nm膜のキャリア密度は $ n = 4.7 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-3} $ と測定され、系の2次元的性質および2次元クーロン相互作用の関連性を支持している。