[論文レビュー] Current-Induced Superconductor-Insulator Transition in Granular High-T_c Superconductors

Y. Kopelevich, C. A. M. dos Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ジョセフソン相互結合済み界面の渦の力学が駆動する、多孔質高Tc超伝導体における電流誘発超伝導体-絶縁体量子相転移を示している。電流および磁場を変化させた抵抗率およびI-V測定により、超伝導状態から絶縁状態への転移を引き起こす閾値電流I_c(H)を同定した。抵抗率データのスケーリング・コラプスにより、外部磁場でチューニングされる状態と類似したゼロ温度における量子転移であることが確認された。

ABSTRACT

In this work we report a systematic study of electrical current effects on superconducting properties of granular Y$_{1-x}$Pr$_{x}$Ba$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-δ}$ samples with x close to the critical Pr concentration above which the superconductivity vanishes. The results indicate the occurrence of superconductor-insulator quantum phase transition (SIT) driven by the applied electrical current, and suggest that the current-induced SIT can be considered as the dynamical counterpart of the magnetic-field- tuned SIT.

研究の動機と目的

• 多孔質高Tc超伝導体における電気的電流が、超伝導状態から絶縁状態への量子相転移を引き起こす役割を調査すること。
• 印加電流下で、ジョセフソン相互結合界面の渦のダイナミクスが転移を支配しているかどうかを特定すること。
• 電流誘発転移が、古くから知られる磁場チューニング超伝導体-絶縁体転移の動的類似物であるという仮説を検証すること。
• 有限温度における抵抗率データのスケーリングを用いて、転移点付近の臨界行動を分析すること。
• 電流駆動転移の臨界指数が、磁場チューニング転移のそれと整合性を示すかどうかを検証すること。

提案手法

• Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ (x=0.45)薄膜に対して、最大100 mAの電流および最大100 Oeの磁場を印加した抵抗率および四端子dcトランスポート測定を実施した。
• 低電流I-V特性は、V = c(T,H)(I - I_th(T,H))^n(T,H)というべき乗則方程式を用いて解析した。ここでI_thは渦の運動のための閾値電流である。
• 抵抗率R = V/Iをスケーリング変数|δ|/T^{1/α}の関数としてスケーリング解析した。δ = I - I_c(H)であり、普遍的な臨界行動の有無を検証した。
• 臨界指数αは、I_cにおけるdR/dIの対数プロットをT^{-1}に対して描画し、その傾きから抽出した。データコラプスを用いてスケーリング仮説の妥当性を検証した。
• 解析ではハードコアボソンモデルを仮定し、超伝導秩序パラメータの大きさΨ₀はT_c0で一定に保たれることを想定した。これは位相揺らぎが支配的であることを示唆している。
• 異なる磁場で測定を繰り返し、I_c(H)のマップを作成し、磁場チューニング転移行動と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 印加電流が多孔質高Tc超伝導体において超伝導体-絶縁体量子相転移を誘発するか？
• RQ2 ジョセフソン相互結合界面の渦のダイナミクスが、電流誘発転移を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 電流駆動転移は、磁場チューニング転移と同一の有限温度スケーリング則で記述可能か？
• RQ4 電流誘発転移の臨界指数は、磁場チューニング転移のそれと整合性を示すか？
• RQ5 閾値電流I_c(H)は、渦のピンニング解放に起因するのか、それとも内在的ジョセフソン結合に起因するのか？

主な発見

• 超伝導転移温度T_c0 = 33 Kは、電流または磁場の印加によっても変化せず、これは秩序パラメータの大きさの変化による転移ではないことを示している。
• 4.6 KでI_th ≈ 5 mAの閾値電流が観測され、I-V特性はべき乗則でよく記述され、指数n ≈ 3であり、渦の流れのダイナミクスを示している。
• 臨界電流I_c(H)は磁場の増加に伴い減少し、H = 2.85 OeではI_c = 16.2 mA、H = 9.5 OeではI_c = 7 mAであった。これは渦の局在化解除と整合的である。
• スケーリング変数|δ|/T^{1/α}を用いた抵抗率データの二つの分岐（I < I_cおよびI > I_c）へのスケーリング・コラプスにより、ゼロ温度における普遍的な量子相転移が確認された。
• 抽出された臨界指数αは、それぞれH = 2.85, 5.7, 9.5 Oeでα ≈ 1.84, 1.72, 1.30であり、同様の系における磁場チューニング転移の値と良好に一致している。
• 結果は、ゼロ温度におけるジョセフソン渦の電流駆動ピンニング転移が存在することを支持しており、これは磁場チューニング転移と類似したものであり、電流が制御パラメータとして機能していることを示している。