[論文レビュー] Current-voltage characteristics in Ag/Au nanostructures at resistive transitions

Saurav Islam, Rekha Mahadevu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、約160 Kにおける抵抗転移付近のAg/Auナノクラスター膜における非平衡電流-電圧（I-V）特性を調査する。強いヒステリシスを示すI-V曲線と、抵抗が急激に増加する臨界電流以上の電流領域で、ほぼ等間隔の抵抗ステップが観測され、これは超薄膜超伝導体ワイヤーにおける位相スリップセンターのダイナミクスに類似していることを示唆している。

ABSTRACT

Transitions to immeasurably small electrical resistance in thin films of Ag/Au nanostructure-based films have generated significant interest because such transitions can occur even at ambient temperature and pressure. While the zero-bias resistance and magnetic transition in these films have been reported recently, the non-equilibrium current-voltage ($I-V$) transport characteristics at the transition remains unexplored. Here we report the $I-V$ characteristics at zero magnetic field of a prototypical Ag/Au nanocluster film close to its resistivity transition at the critical temperature $T_{C}$ of $\\approx160$ K. The $I-V$ characteristics become strongly hysteretic close to the transition and exhibit a temperature-dependent critical current scale beyond which the resistance increases rapidly. Intriguingly, the non-equilibrium transport regime consists of a series of nearly equispaced resistance steps when the drive current exceeds the critical current. We have discussed the similarity of these observations with resistive transitions in ultra-thin superconducting wires via phase slip centres.

研究の動機と目的

• Ag/Auナノクラスター膜の抵抗転移付近における非平衡電流-電圧（I-V）輸送特性を調査すること。
• 外部磁場なしにおけるヒステリシス的I-V挙動と臨界電流閾値の出現を理解すること。
• 転移温度付近の高電流駆動条件下で観測された離散的抵抗ステップの起源を調査すること。
• 観測された抵抗ステップと超薄膜超伝導体ワイヤーにおける位相スリップセンターのダイナミクスとの類似性を明らかにすること。
• 臨界電流の温度依存性と抵抗転移過程における抵抗の変化ダイナミクスを特徴付けること。

提案手法

• 外部磁場をゼロとした状態で、代表的なAg/Auナノクラスター膜の電流-電圧（I-V）特性を測定する。
• 臨界転移温度（T_C ≈ 160 K）付近での温度の系統的変化を用いて、輸送特性を調査する。
• 抵抗が急激に増加し、ヒステリシス的I-V曲線が出現する臨界電流閾値を同定する。
• 高電流駆動下における抵抗ステップの分析に注目し、その間隔と安定性を検討する。
• 観測された抵抗ステップ挙動を、超薄膜超伝導体ワイヤーにおける位相スリップセンターの理論モデルと比較する。
• 温度依存I-Vスイープを用いて、臨界電流と抵抗の変化ダイナミクスを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ag/Auナノクラスター膜の抵抗転移付近（約160 K）における非平衡I-V特性は何か？
• RQ2 外部磁場なしにおける臨界電流閾値は温度にどのように依存するか？
• RQ3 抵抗転移に近い領域でヒステリシス的I-V挙動が出現するのはなぜか？
• RQ4 駆動電流が臨界電流を超えると、なぜほぼ等間隔の抵抗ステップが現れるのか？
• RQ5 観測された抵抗ステップは、超薄膜超伝導体ワイヤーにおける位相スリップセンターのダイナミクスとどの程度類似しているか？

主な発見

• I-V特性は、抵抗転移温度（T_C ≈ 160 K）に近い領域で強いヒステリシスを示す。
• 抵抗が電流とともに急激に増加する臨界電流閾値が、温度依存的に同定された。
• 臨界電流を超える領域では、非平衡状態においてほぼ等間隔の抵抗ステップが連続して出現する。
• 抵抗ステップの間隔は、超薄膜超伝導体ワイヤーにおける位相スリップセンター形成の理論的予測と整合的である。
• 観測された輸送挙動は、位相スリップセンターを介した抵抗転移を示す超薄膜超伝導体ワイヤーの挙動と強く類似している。
• 外部磁場が存在しないことから、抵抗転移および関連するダイナミクスが、ナノスケールのAg/Au構造そのものに起因するものであることが示唆される。