[論文レビュー] Direct observation of intrinsic surface magnetic disorder in amorphous superconducting films

Idan Tamir, Martina Trahms+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 51被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超伝導ヘッドを用いた走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、非晶質超伝導インジウム酸化物（a:InO）膜における内在的表面磁気的不規則性の直接実験的証明を提供している。著者らは、磁性不純物ではなく、不飽和表面結合に起因する、表面全域にわたる準位の下位状態（Yu-Shiba-Rusinov（YSR）状態）を観測しており、これは、厚い膜では体積的超伝導が維持されるにもかかわらず、薄膜における超伝導体-絶縁体転移（SIT）に内在的表面磁性が顕著に寄与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The interplay between disorder and interactions can dramatically influence the physical properties of thin-film superconductors. In the most extreme case, strong disorder is able to suppress superconductivity as an insulating phase emerges. Due to the known pair-breaking potential of magnetic disorder on superconductors, the research focus is on the influence of non-magnetic disorder. Here we provide direct evidence that magnetic disorder is also present at the surface of amorphous superconducting films. This magnetic disorder is present even in the absence of magnetic impurity atoms and is intimately related to the surface termination itself. While bulk superconductivity survives in sufficiently thick films, we suggest that magnetic disorder may crucially affect the superconductor-to-insulator transition in the thin-film limit.

研究の動機と目的

• 非晶質超伝導膜の表面における磁気的不規則性の存在とその起源を調査すること。
• 磁気的不規則性が外部不純物由来であるのか、それとも内在的表面終末効果由来であるのかを特定すること。
• 薄膜における超伝導体-絶縁体転移（SIT）に表面磁気的不規則性が与える影響を評価すること。
• 高分解能分光法を用いて、表面電子状態と超伝導ギャップの異常との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 原子スケールの空間分解能を達成し、熱的幅の制限を克服するため、超高真空下でPbまたはNbの超伝導ヘッドを用いた。
• 不規則性の程度が異なる6種のa:InO膜に対して、空間的に分解能のある走査トンネル分光法（STS）を実施した。
• YSR準位を組み込んだ現象論的モデルを用いてdI/dVスペクトルにフィットさせ、ヘッドの超伝導ギャップ（∆tip ≈ 1.3–1.5 mV）を考慮した。
• 高周波（HF）放射とヘッド接近実験を実施し、準位の動的応答を確認することで、YSR準位の特徴的性質を裏付けた。
• 表面層を除去するための繰り返しAr+スパッタリングサイクルを実施し、準位の変化をモニタリングした。
• スパッタリング前のスペクトルと比較することで、表面不純物が磁気散乱中心の原因である可能性を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非晶質InO膜において観測された準位の下位状態は、磁性不純物の影響か、内在的表面効果に起因するか？
• RQ2 超伝導ヘッドSTMは、不規則超伝導体における内在的磁気的表面不規則性を解像可能か？
• RQ3 観測されたYSR準位の起源は、不純物か、内在的不飽和表面結合か？
• RQ4 表面磁気的不規則性は、薄膜における超伝導体-絶縁体転移にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 100 × 100 nm²領域内の400個の等間隔STSスペクトルのうち60％で準位の下位ピークが観測され、広範な磁気的散乱中心の存在を示した。
• 準位の下位ピークは非対称な強度と電圧対称性を示し、Yu-Shiba-Rusinov（YSR）準位と整合的であり、高周波放射に対して応答したため、磁気的起源が確認された。
• 2回のスパッタリングサイクルで準位の下位ピークが消失したため、磁気的不規則性が表面に局在しており、体積的不純物由来ではないことが示された。
• 臨界温度が2.5 K以上の高い膜でもYSR準位が維持されたため、この効果が不純物誘起対称性に起因するものではなく、内在的であることが確認された。
• 準位の下位状態の空間的広がりは局在的から数ナノメートルにわたるまで変動し、高分解能測定の必要性を強調した。
• 結果から、不飽和表面結合に起因する内在的表面磁気的不規則性が、薄膜における超伝導体-絶縁体転移に重要な役割を果たしている可能性が示唆された。