[論文レビュー] Finite bias dependent evolution of superconductor-insulator transition and Zero Bias Conductance in boron doped nanodiamond films

Davie Mtsuko, Christopher Coleman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、ヘビーなボロンドーピングを施したナノ結晶ダイヤモンド（BNCD）膜における有限バイアス依存の輸送現象を調査し、超伝導体-絶縁体転移付近に異常な抵抗ピークと強いゼロバイアス電導度ピークを明らかにした。著者らは、穴ドーパントが簡約化されたキンドー準粒子として作用し、擬似スピン散乱チャネルを開放することにより、この現象を電荷-キンドー効果に起因すると説明している。スケーリング則は、非自明な多体相互作用が転移を駆動していることを示唆している。

ABSTRACT

We report on transport features in heavily boron doped nanocrystalline diamond (BNCD) films which are not seen in conventional (s-wave) granular superconductors. Observations include an anomalous resistance peak near to the superconducting transition temperature as well as a strong zero bias conductance peak in the current-voltage spectra. The effect of finite bias current on the evolution of the resistance peak is systematically investigated in this system. The shape of the resistance-temperature curves near the critical temperature is seen to be strongly influenced by both magnetic field and bias current. As the bias current is lowered the resistance peak becomes more pronounced whereas when the magnetic field is varied the peak shifts towards lower temperatures, the resistance upturn shows a quadratic temperature dependence as expected for a Kondo transition. We find that a number of transport features such as resistance peak height, zero bias conduction peak height and width as well as magnetoresistance peaks scale according to a power law dependence. We interpret these features as a result of a charge-Kondo effect where hole dopants act as degenerate Kondo impurities by opening additional pseudo-spin scattering channels.

研究の動機と目的

• 従来のs波グレイン状超伝導体の挙動とは逸脱する、ヘビーなボロンドーピングを施したナノ結晶ダイヤモンド（BNCD）膜における非従来的輸送特性を理解すること。
• 有限バイアス電流および磁場が超伝導転移温度付近の抵抗ピークの形状と位置に与える影響を調査すること。
• 観測されたゼロバイアス電導度ピークおよび抵抗上昇が、多体キンドー様効果によって説明可能かどうかを特定すること。
• ピーク高さ、幅、磁気抵抗などの主要な輸送パラメータ間のスケーリング関係を確立すること。
• 縮退した準位を持つ不純物状態を有する不規則な超伝導系における電荷-キンドー効果の出現を調査すること。

提案手法

• 超伝導体-絶縁体転移の有限バイアスにおける進化を調べるため、変化するバイアス電流および磁場下での電流-電圧（I-V）特性の体系的測定。
• 異なるバイアス電流および磁場下での抵抗-温度（R-T）曲線の分析により、抵抗ピークのシフトおよび形状変化を同定。
• 抵抗ピーク高さ、ゼロバイアス電導度ピーク高さおよび幅、磁気抵抗ピーク位置の相関をとるためのべき乗則スケーリングの適用。
• 抵抗上昇の二次温度依存性を用いて、抵抗異常のキンドー様起源を支持。
• 穴ドーパントが縮退したキンドー準粒子として作用し、追加の擬似スピン散乱チャネルを可能にする電荷-キンドー模型に基づく理論的解釈。
• 実験データをキンドー効果の予測と比較し、提案されたメカニズムの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限バイアス電流は、BNCD膜における超伝導転移付近の抵抗ピークの形状および位置にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ヘビーなボロンドーピングを施したナノダイヤモンドの電流-電圧スペクトルに観測される強いゼロバイアス電導度ピークの原因は何か？
• RQ3 なぜ抵抗上昇が二次温度依存性を示すのか？これは、背後にある多体物理学に何を示唆しているか？
• RQ4 抵抗ピーク高さ、ゼロバイアス電導度ピーク高さおよび幅、磁気抵抗ピークが、普遍的なべき乗則に従ってスケーリングするか？
• RQ5 観測された輸送異常は、縮退したキンドー準粒子を含む電荷-キンドー効果によって説明可能か？

主な発見

• 超伝導転移付近の抵抗ピークは、バイアス電流が低下するにつれて顕著に強化され、電流注入に対する非線形応答を示している。
• 磁場を印加すると抵抗ピークが低温側にシフトし、超伝導ペア形成の抑制と整合的である。
• 転移付近の抵抗上昇は二次温度依存性を示し、キンドー様多体効果の特徴的兆候である。
• ピーク高さ、ゼロバイアス電導度ピーク高さおよび幅、磁気抵抗ピークはすべてべき乗則に従ってスケーリングされ、普遍的挙動を示している。
• 観測された輸送特性は、穴ドーパントが縮退したキンドー準粒子として作用し、追加の擬似スピン散乱チャネルを開く電荷-キンドー効果に起因すると解釈されている。
• この系は、従来のs波グレイン状超伝導体とは異なる強相関効果に起因する非フェルミ液体的挙動を示している。